（计算机应用技术专业论文）基于fdtd算法的超宽带天线建模与仿真设计.pdf

江苏大学硕士学位论文摘要 摘要 近年来，超宽带( u l t r a - w i d e b a n d , u w b ) 技术在世界范围内引起了极大重视。 超宽带系统中的信息载体多为窄脉冲或载波调制短脉冲等超宽带信号，这种信号 的相对带宽2 0 或者绝对带宽5 0 0 m h z ，需要采用超宽带天线发射或接收。 因此，超宽带天线的设计往往成为超宽带系统设计中的挑战之一。传统的理论分 析方法已经很难适应超宽带天线设计的需要，而直接对天线进行实验测量的分析 方法又容易受到客观条件的限制。因此，利用计算机仿真进行超宽带天线设计受 到了越来越广泛的关注。 本文以时域有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c et i m ed o m a i n , f d t d ) 为计算机仿真 手段，以典型超宽带天线建模与仿真设计为主要研究内容，介绍了f d t d 原理 及其程序实现，给出了若干典型超宽带天线结构的可视化f d t d 建模方法，开 发了超宽带天线f d t d 建模仿真环境，完成了几款典型超宽带天线仿真、优化、 设计制作以及性能测试等工作。 在超宽带天线f d t d 建模仿真研究中，本文针对典型的超宽带天线设计了 高效的f d t d 建模方法。利用该建模方法只需要若干结构描述参数即可完成天 线f d t d 网格的剖分，具有简单、方便等优点，非常适合在对天线进行大量参 数化仿真和优化的场合使用。同时，利用f d t d 建模算法结合计算模块，开发 了具有友好用户界面的超宽带天线f d t d 建模仿真环境，设计和仿真了用于窄 脉冲辐射的t e m 喇叭天线以及一系列满足f c c 规定中3 1 1 0 6 g h z 频段应用的 超宽带天线，给出了详细的仿真分析结果。仿真结果与理论分析、已有研究成果 相比表明，本文设计的f d t d 建模仿真方法具有较高的可靠性。此外，本文根 据遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ，g a ) 原理开发了遗传算法程序，提出了f d t d 仿 真优化方案，并在实际的超宽带天线优化设计中进行了实现。优化结果表明，本 文提出的优化方案有一定的可行性、有效性。 为了进一步验证仿真设计的可靠性，作者制作了若干实际的超宽带天线，利 用矢量网络分析仪等测试仪器进行了测试。测试结果基本达到了预期的设计目 标，验证了仿真结果的正确性。由此可见，本文提出的超宽带天线f d t d 建模 仿真方法可靠性较高，具有良好的应用前景。 关键字：计算机仿真，建模，超宽带天线，时域有限差分法，遗传算法 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h eu l 胁w i d e b a n d ( u w s ) t e c h n o l o g y , w h i c ht r a n s m i t si 鹏b s i g n a ls u c ha ss h o r tp u l s eo rm o d u l a t e ds h o r tp u l s e ，h a sa t t r a c t e dw o r l d w i d ea t t e n t i o n n eu w bs i g n a lw h o s ef r a c t i o n a lb a n d w i d t he x c e e d2 0 o rb a n d w i d t he x c e e d5 0 0 m h zs h o u l db et r a n s m i t t e da n dr e c e i v e db yu w ba n t e n n a s i tm a k e sa n t e n n ad e s i g n ac r u c i a lp a r ti nt h eo v e r a l li 肿s y s t e m t r a d i t i o n a la n a l y s i sm e t h o dc a r ln o ta l w a y s f i ti l lw i t ht h en e e d so fu w ba n t e n n a s a n dt h em e a s u r e m e n t so fr e a la n t e n n a sm a y a l w a y sb el i m i t e db yo b j e c t i v ec o n d i t i o n s t h e r e f o r e ，m o r ea n dm o r ea t t e n t i o n sa r e d e v o t e dt oc o m p u t e rs i m u l a t i o nf o r t h ed e s i g no fl 肿a n t e n n a s i nt h i sp a p e r , w i t ht h ef i n i t ed i f f e r e n c et i m ed o m a i n ( f d t d ) a l g o r i t h m ，t h e m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nd e s i g no ft y p i c a lu w ba n t e n n a sa r es t u d i e dm o s t l y t h e o t h e rw o r k si n c l u d et h ei n t r o d u c t i o na n di m p l e m e n to ft h ef d t da l g o r i t h m t h es t u d y o ff d t dv i s u a lm o d e l i n ga l g o r i t h m t h ed e v e l o p m e n to ff d t d m o d e l i n gs i m u l a t i o n s y s t e mf o rt y p i c a lu w ba n t e n n a s ，a n dt h es i m u l a t i o n s ，o p t i m i z a t i o n s ，f a b r i c a t i o n s a n de x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t so fu w ba n t e n n a s i nt h er e s e a r c ho fm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nm e t h o df o ru w ba n t e n n a s ，a f a v o u r a b l ef d t dm o d e l i n ga l g o r i t h mi sp r e s e n t e d w i t ht h i sa l g o r i t h m ，o n l yaf e w p a r a m e t e r sa r en e e d e df o rf d t dm e s hg e n e r a t i o no fa nu w ba n t e n n a t h em o d e l i n g a l g o r i t h m ，w i t ht h em e r i t so fs i m p l e n e s sa n dc o n v e n i e n c e ，h a sag o o da p p l i c a t i o ni n p a r a m e t r i ca n do p t i m i z a t i o na n a l y s i s e s m e a n w h i l e ，w i t ht h ec o m b i n a t i o no ff d t d m o d e l i n ga l g o r i t h ma n df d t ds i m u l a t i o ns o f t w a r e ，af d t dm o d e l i n gs i m u l a t i o n s y s t e mw i t hc o n v e n i e n tu s e ri n t e r f a c ei sd e v e l o p e df o rt h ed e s i g na n ds i m u l a t i o no f u w ba n t e n n a s w i t hi t d e t a i l e da n a l y s i sr e s u l t so fu w ba n t e n n a ss u c ha st e mh o r n a n t e n n aa n da n t e n n a sw i t ht h eb a n d w i d t ho f3 1 l o 6 g h za r eg i v e n i ti ss h o w nt h a t t h ef d t ds i m u l a t i o nr e s u l t so fu w ba n t e n n a si nt h i sp a p e ra c c o r dw i t ht h e o r e t i c a l a n a l y s i s e s i na d d i t i o n ,a l l o p t i m i z a t i o np r o g r a mi sd e v e l o p e du s i n gg e n e t i c a l g o r i t h m ( g a ) ，a n dt h eo p t i m i z a t i o ns c h e m ei sa l s op r e s e n t e da n du s e di nt h e o p t i m i z a t i o nd e s i g no ft e mh o r na n t e n n a t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eo p t i m i z a t i o n s c h e m ei sf e a s i b l ea n de f f e c t i v e f o rt h ev a l i d a t i o no ft h er e l i a b i l i t yo ft h ea n t a n n ad e s i g n s s e v e r a lu w ba n t e n n a p r o t o t y p e sa l ef a b r i c a t e da n dm e a s u r e du s i n gv e c t o rn e t w o r ka n a l y z e r i ti ss h o w n t h a tt h ee x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t sa c c o r dw i t ht h ed e s i g np u r p o s ea n dt h e s i m u l a t i o nr e s u l t s t h e r e f o r e , t h ef d t db a s e dm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nd e s i g n m e t h o df o ru w ba n t e n n a sp r o p o s e di nt h i sp a p e rh a sh i g hr e l i a b i l i t ya n dg o o d p r o s p e c t si nf u t u r ea n t e n n ad e s i g n k e yw o r d s ：c o m p u t e rs i m u l a t i o n , m o d e l i n g , u l t r a - w i d e b a n da n t e n n a , f i n i t e d i f f e r e n c et i m ed o m a i n ，g e n e t i ca l g o r i t h m 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密c 5 i 。 学位论文作者签名：覆銎 9 ，7 年i 上月i 芗e t 指导教师签名：扒卅 、o o 厍 - 明l 乡日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的 指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引 用的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 31 年i 2 月侈日 江苏大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 天线是任何无线电系统中必不可少的组件。它的功能是发射或者接收无线电 波。它把电路中的电磁信号转换为自由空间中的无线电波( 在发射系统中) ，或 者做把来自空间的无线电波转换为电路中的电磁信号( 在接收系统中) ，从而实 现在空间两点之间无线电信号的传递【i 】。随着社会的进步，信息技术( 特别是无 线通信技术) 的发展，无线电频谱不断地得到拓展，无线电系统的带宽从窄带逐 渐拓展到宽带，并进一步拓展到超宽带。于是，超宽带无线电系统出现了。超宽 带无线电系统要求超宽带天线来完成超宽带电磁信号和自由空间中无线电波之 间的转换工作。因此，超宽带无线电系统对天线有了新的工作要求和设计要求。 天线理论与技术已经有了很长的发展历史，许多学者研制出了能满足多种无 线电系统要求的天线。但是这些天线设计大多面向窄带、宽带系统，无法胜任超 宽带系统的工作要求。尽管超宽带天线与常规的窄带、宽带天线在辐射原理上并 没有本质区别，但是，由于需要工作在极宽的带宽中，超宽带天线的分析和设计 还是需要新理论、新技术和新方法。 1 1 研究背景 1 1 1 超宽带技术概述 超宽带( u l t r a w i d e b a n d ，u w b ) 无线电的最初形式为直接利用脉宽为纳秒或亚 纳秒级的脉冲作为信息载体的冲激无线电( i m p u l s er a d i o ，求) ，其历史可以追溯 到1 9 4 2 年d er o s e 提出的随机脉冲的专利【2 l 。2 0 世纪6 0 年代，对时域电磁学的 研究进一步促进了u w b 技术的发展。从其出现到2 0 世纪9 0 年代以前，u w b 技术主要采用最初冲激无线电形式，并主要用于军事的雷达和低截获低侦察率 的无线系统。1 9 9 3 年，r a s c h o l t z 在军事通信会议上发表论文【3 l ，论证了采用 冲激脉冲进行跳时调制的多址技术，开辟了将瓜作为无线通信载体( 简写为 i r i ，、釉) 的新途径；从而使得取成为了点对点通信以及无线通信网络的信息 载体。同时，随着微电子器件的高速发展，i r - u w b 技术开始应用于民用领域， 在国际上掀起了对其研究、开发和应用的热潮，并被认为是下一代无线通信的革 命性技术1 4 1 。 为了促进和规范超宽带技术的发展，2 0 0 2 年4 月，美国联邦通信委员会 ( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ，f c c ) 发布了超宽带的初步规范，规范了超 宽带的定义【5 1 。第一种定义是信号的相对带宽大于或等于0 2 ，即 江苏大学硕士学位论文第一章绪论 信号的相对带宽= 等乒二掣：掣o 2 ( 1 1 ) l ，h + j l )，。 式中：厶和无分别表示系统高低端频点( 按照一l o d b 计算) ，f o = 魄+ 无) 2 ， 为信号的中心频率。 f c c 的第二种定义是信号绝对带宽大于或等于5 0 0 m i - i z 。即 信号的绝对带宽= ( 矗一五) 5 0 0 m h z ( 1 2 ) 由此定义可以看出，现在的超宽带已不仅仅局限于瓜，而是包括了任何使 用超宽频谱的系统。这样，超宽带的主要信号形式可以分为：无载波窄脉冲( 作 为i r - u w b 的载体形式) 以及有载波调制的窄脉冲( 例如当今u w b 通信主流体 制一多子带j 下交频分复用中的信号) 。前者具有超宽带、低截获率低侦察率、抗 多径、穿透力强、逻辑结构简单等特点；后者可以将超宽带信号搬移到合适的频 带进行传输，从而更加灵活，有效地利用频谱资源等。 根据f c c 的规定，室内u w b 通信的实际使用频谱范围为3 i g h z 一1 0 6 g h z ， 在这一范围内有效全向发射功率( e i r p ) 不超过4 1 3 d b m m h z ，对于带外的辐射 掩蔽也有严格的限制。各频段的e i r p 限制的具体值如图1 1 和表1 1 所示。f c c 已经批准超宽带技术的部分应用领域和相应的频段划分见表1 2 。 31 0 6 1 g i 峪 室土j i珏一 一频段 i c伪n5 限倒 0 9 61 6 i 一4 0 1 5 一 砉 蜘 - 萋5 5 害 冬 椰 书 鬈秆 i0 6 一阳 ( ；p s餐夕阳制 蔸段 r xpn l5冀嘲 l l 一 16 1 鞭率帕z顿举g i i z l 口)6 1 图1 1 ( a ) 超宽带系统的有效全向发射功率( e i r p ) 限制( 室内限制) 图1 1 ( b ) 超宽带系统的有效全向发射功率( e i r p ) 限制( 室外限制) 表1 1f c c 规定的室内i n b 设备平均功率极限值 频率 o 一9 6 0 9 6 肛1 6 l o1 6 l 肚1 9 9 01 9 9 肛3 1 0 03 l o 1 0 6 0 0 1 0 6 0 0 瓜厦h z e 心 _ 4 1 3 7 5 3- 5 3 35 1 3_ 4 1 35 1 3 d b m 2 钟 巧 硒 砸 。 一 一 一 一 一 一 星孑癸鸯每急露样辍证 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 表1 2f c c 授权的超宽带技术的应用领域和使用频段 应用领域使用频段 探地雷达成像系统 9 6 0 m h z 以下，( 3 1 l o o g i - i z 墙内成像系统 9 6 0 m h z 以下，o 1 10 6 ) g n z 穿墙成像系统9 6 0 m h z 以下，( 1 9 9 - 1 0 6 ) g i n 医疗系统 ( 3 1 - 1 0 6 ) g s z 监视系统( 1 9 虬1 0 6 ) o h z 汽车雷达系统2 4 0 7 5 g h z 以上 通信与测量系统 ( 3 1 - 1 0 6 ) g h z f c c 关于超宽带技术的规范是超宽带技术发展的个重要里程碑。从此， 超宽带技术开始受到越来越广泛的关注。需要指出的是，超宽带技术在其他领域， 如军事领域、传感器、定位和跟踪等方面也有着重要的应用【6 j 。 超宽带系统根据使用超宽带信号的不同，可有不同的工作体制。在超宽带通 信中，主要分为基带脉冲方式和载波调制方式。基带脉冲方式是传统的超宽带通 信方式。这种方案中，发射机产生基带窄脉冲序列，并通过脉冲位置调$ 1 ( p u l s e p o s i t i o nm o d u l a t i o n ，p p m ) 、脉冲幅度调制( p u l s ea m p l i t u d em o d u l a t i o n , p a m ) 等调 制方式携带信息。基带窄脉冲序列通过超宽带天线直接发送到空中。通常采用跳 时( t i m eh o p p i n g , t h ) 或者直接序列扩频( d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r t u n , d s ) 的 多址方案。载波调制方式是f c c 规定了超宽带通信的频谱使用范围和功率限制 后，在超宽带无线通信标准化的过程中提出的。载波调制的超宽带通信又可分为 单带和多带两种形式，如直接序列扩频一码分多址接入( d s c d m a ) 方案和多子 带正交频分复用( m s o f d m ) 方案等。而在超宽带成像、医疗、乃至军事应用等 领域大都使用窄脉冲体制与步进频率体制的超宽带技术。 根据工作体制、工作频段等的不同，超宽带系统对于超宽带天线有一定的要 求。 1 1 2 超宽带天线的要求 ( 一) 超宽带天线的要求 天线设计是实现超宽带系统的关键技术。虽然不同体制的超宽带系统对天线 的要求可能会不同。但是，对于超宽带天线的一般要求是： ( 1 ) 天线的输入阻抗具有超宽带特性，即要求天线的输入阻抗在信号能量分 布的主要频带上保持一致，以保证信号能量能够有效地辐射出去川。 3 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 2 ) 对于窄脉冲体制的超宽带，天线的相位中心具有超宽频带不变特性，即 要求天线的相位中心在脉冲能量分布的主要频带上保持一致嗍。 ( 3 ) 当u w b 用于移动设备，设备的位置不固定，因此天线应具有低增益， 方向图应该是全向性的。而当u w b 用于成像、测量时，则要求天线具有一定的 增益和方向性。 此外，根据f c c 的规定，u w b 允许的辐射功率非常低，这要求天线具有良 好的效率，能将接收到的信号功率最大限度地传送给接收机，同时天线也应该能 够将发射机传送的功率最大限度地辐射到自由空间。同时若u w b 技术应用于无 线个人、家庭局域网和各种小型手持设备，天线的物理尺寸要求很小且成本也要 求很低。所以超宽带天线的研究和设计工作是极具挑战的。 ( 二) 描述超宽带天线的参数 由于超宽带天线的研究是建立在传统天线的基础上的，一些基本的天线参数 和传统天线相同，但是因为超宽带天线的带宽很大，因此相对于传统的窄带天线， 描述天线的参数，如阻抗、方向图、增益等与固定频率相联系的参数，在描述超 宽带天线时需要加以推广。此外，在有些u w b 系统中，还需要另外考虑一些性 能参数，比如相位中心，波形保真度等。 描述超宽带天线的参数及对参数的要求一般是： ( 1 ) 反射特性。要求在工作频段内，如f c c 规定的3 1 1 0 6 g h z 频段，电压 驻波比v s w r 小于2 ，或者说反射损耗( r e t u r nl o s s ，r e ) 在整个频段上大于1 0 d b 。 ( 2 ) 阻抗。要求天线的输入阻抗在工作频段内基本保持一致( 一般要求为馈 线特性阻抗5 0 f ) ) 。 ( 3 ) 方向性。若超宽带应用于无线通信，应用环境决定了接收机和发射机间 的位置不固定，所以应该使用全向天线，尽量降低天线的方向性，而在其它某些 场合下，又要求天线具有一定的方向性，较高的增益等。 若超宽带天线主要用于辐射窄脉冲，则描述超宽带天线时这些参数还需要在 时域内加以推广，目前对此类时域超宽带天线参数还没有统一的定义，但有一些 较为流行的定义。其中，常用的是能量参数。由于此时超宽带天线辐射的是脉冲 信号，不同辐射方向的辐射波形不同，所以人们常从时域和能量的角度来描述天 线的性能。下面是时域内超宽带天线特性的一些参数定义【3 】。 ( 1 ) 能量方向性系数 气 k 伊，d p , t ) 2 p d ( 1 9 ，咖= _ - 夏_ - 詈一 ( 1 3 ) 磊1 jj jl ( 只9 ，t ) l s i n o d t d o d 伊 4 江苏大学硕士学位论文第一章绪论 ( 2 ) 增益 g ( 幺伊) = 切，2 j 1 圪( f ) l o ) l 出 t o ( 1 4 ) ( 3 ) 能量辐射效率 2 i l ( 秒，仍t ) 1 2 ，2s i n o d t d o d 呼o jjj 一 一歹。 一一一一 2 = 型生坠生- 二竺一 ( 1 5 ) i l 圪( f ) 气( f ) 坤 石 式中：巨一一天线的辐射电场； “一脉冲波前馈入天线的时刻( s ) ； z 0 一自由空间波阻抗( q ) ； t 。一辐射天线输入电流( a ) ； 。辐射天线输入电压( 。 除了上面的参数外，超宽带天线的设计还要考虑其它一些因素。 首先，在一般窄带天线设计中很少考虑天线的相位特性，这是因为窄带天线 覆盖的带宽内完全可以将天线的相位响应近似看作线性的。而在超宽带应用中， 特别是使用窄脉冲的情况下，脉冲覆盖的频率范围很宽且信息往往包含在脉冲的 细节中，天线辐射的信号失真应该尽量小，这要求其不仅具有平坦的幅度响应， 还应该具有线性相位。传统的非频变天线( 如等角螺旋、对数周期天线等) 是典 型的空间色散天线，天线上不同的部分对应不同的工作频率，通过组合的方式实 现频率不变特性，这种天线的相位响应是非线性的，会对脉冲造成严重失真，影 响系统整体性能，不能用于辐射超宽带脉冲。 其次，发射和接收天线间的互易关系存在一定适用条件。文献【9 】指出就时域 特性而言，天线用作发射时的响应正比于用于接收时响应的导数。例如锥形天线 辐射的电场波形与其馈电点处电压波形相同，而接收到的是入射电场波形的积 分。t e m 喇叭与之相反，其辐射的电场波形是馈电点处波形的导数，而接收的 波形与入射电场相同。对于一般窄带天线，波形的微分只是增加了一个扣项使 载波相位改变9 0 0 ，可以不计这种影响，而对超宽带天线就必须考虑这种影响。 最后，对于辐射窄脉冲的超宽带天线，不同部分辐射的脉冲到达空间同一点 的时间不同，这引起了天线辐射随观察角度的色散，通常意义上的方向图不再适 用，般用相关能量方向图来表示其方向性。但对于小尺寸脉冲辐射天线这种影 响很小f l o l ，可以使用通常意义上的能量方向图。 5 江苏大学硕士学位论文第一章绪论 由此可见，相对于传统的窄带、宽带天线，超宽带天线对天线设计提出了更 严格的要求。因此，超宽带天线的设计往往成为超宽带系统设计中的挑战之一。 1 1 3 超宽带天线的分析与设计方法 在天线的分析与设计领域，计算电磁学( c o m p u t a t i o n a le l e c t r o m a g n e t i c s c e m ) 是电磁工程师可使用的一种重要工具，其他两种是理论分析和实验测型】。 理论分析可以得到天线问题的解析解，但是对天线的结构有一定的要求，一般适 合于结构简单的天线；而实验测量的分析方法可以得到天线的实际性能，但容易 受测试条件和制作成本等客观条件的限制。相比较而言，计算电磁学作为- - f - j 计 算机技术与电磁场、微波技术相结合的新兴的边缘学科，以电磁场理论为基础， 以高性能计算技术为工具和手段，运用计算数学提供的各种方法来获得电磁问题 的数值结果，具有实现方便、准确高效等特点，在天线的分析和设计领域广泛应 用。特别是在超宽带天线的分析与设计中，由于天线具有工作频率高、工作频段 宽等特点，利用计算电磁学的方法进行数值仿真更显示出了独特的优势。 在分析超宽带天线时主要使用的计算机数值仿真方法有矩量法( m e t h o do f m o m e n t ，m o m ) 、有限元法( f i n t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) 和时域有限差分法( f i n i t e d i f f e r e n c et i m ed o m a i n , f d t d ) 等，其中f d t d 具有在时域直接描述辐射场的优 势【i2 1 ，应用日益广泛。 f d t d 是一种以电磁场问题的微分方程为基础的数值方法。它以差分原理为 基础，直接从概括电磁场普遍规律的麦克斯韦旋度方程出发，将其转换为差分方 程组，在一定体积内和一段时间上对连续电磁场的数据取样。相对于其他数值模 拟算法，如有限元法、矩量法，f d t d 有它自身的优越性。它简便快捷，对媒质 的非均匀性、各向异性、色散特性和非线性等均能很容易地进行精确模拟。另外， 由于没有矩阵的填写和求解，它在计算时间和内存占用上比其他方法更为高效， 能通过一次仿真提供频带很宽的结果，而这点对于频域技术是不可能的。此外， 它还具有一些非常突出的优点，如节约存储空间和计算时间、适合并行计算等。 由于f d t d 的特点，它几乎被用到了电磁场工程中的各个方面l l 引，主要包 括：( 1 ) 在目标电磁散射特性研究中的应用；( 2 ) 在电磁兼容问题中的应用；( 3 ) 在 天线辐射特性计算中的应用；( 4 ) 在微波电路和光路时域分析中的应用等。 需要特别指出的是，由于f d t d 方法能方便地模拟各种复杂天线，只需一 次计算，结合后处理，便可获得宽频带内天线的频域特性；可以形象地给出天线 及其附近电磁波的辐射过程，这种电磁场的可视化结果为天线的设计和改进提供 直观的物理依据。因此，f d t d 是天线( 特别是超宽带天线) 分析和设计的有效 工具。显然，利用f d t d 进行超宽带天线分析的仿真程序将直接影响到天线仿 6 江苏大学硕士学位论文第一章绪论 真设计的准确性和效率，需要认真考虑。 1 2 相关研究发展现状 超宽带天线技术作为超宽带无线电系统的重要组成部分得到了人们越来越 多的重视。随着超宽带技术应用领域的扩展，对新兴超宽带天线的研究不断发展， 其仿真设计方法也受到了各国科研人员的广泛关注。 对于超宽带天线设计，国外的研究学者起步较早，提出了很多具有创造性的 天线模型。1 9 4 1 年，s 劬仕0 n 和c h u 提出了类球体天线，通过直接求解m a x w e l l 方程得到该天线的辐射性能【1 3 1 。1 9 4 3 年，s c h d k u n o f f 提出了双锥天线【h 】。如今， 双锥天线和它的变形天线( 如圆锥形天线、蝶形天线等) 仍然被广泛地应用到 u w b 系统中。其后出现了许多u w b 天线，例如水滴形天线、套筒天线等1 1 5 1 。 5 0 年代，出现了典型的非频变天线一螺旋天线【1 6 】。1 9 7 9 年，g i b s o n 提出了一种 按指数规律渐变的槽线天线【l7 1 。这种天线是一种高增益、线极化、具有随频率 变化恒定增益的天线。1 9 8 2 年，r h d u h a m d 发明了f 弦天线【1 8 1 ，它结构紧凑、 低轮廓，而且频带宽。自1 9 9 2 以来，出现了许多种单极子盘片天线。它们结构 简单，且能提供非常宽的带宽。1 9 9 9 年，v i r g i n i a t e c h a n t e n n a g r o u p ( v t a g ) 发 明了四面( f o u rs q u a r e ) 天线【1 9 1 。尽管它没有其它天线那么宽的带宽，但却有单向 辐射、双线性极化和低轮廓等独特的优点。2 0 0 3 年，s e o kh c h o i 等人提出了一 种新型矩形贴片天线【2 0 】，该天线利用缩小地板，在贴片中开槽等方法实现了 3 2 1 2 g h z 的工作频带。2 0 0 6 年，t u t k uk a r a c o l a k 等人发明了双面圆形领结天 线【2 ，该天线具有全向辐射、低轮廓、小尺寸等特点，适于在f c c 规定的超宽 带通信中应用。2 0 0 7 年，j h a n 等人对一种微带结构的准喇叭天线的时域特性进 行了研究i 2 1 ，该天线具有较好的脉冲波形保真度，适合于u w b 中的脉冲辐射应 用。在国外，这些天线已经成功地应用于许多民用的超宽带通信系统中。在军用 的超宽带雷达，卫星通信系统，以及诸如矿井探测系统等超宽带通信系统中，超 宽带天线都扮演了极其重要的角色瞄j 。 国内学者在超宽带天线设计和理论研究领域中也作出了许多的贡献。中国工 程物理研究院应用电子学研究所研制了同轴双锥天线和半抛物面冲击脉冲辐射 天线 2 4 1 ，其同轴双锥天线效率为6 5 ，在2 5 0 m - 1 g i - i z 驻波比小于3 。国防科大 电子科学与工程学院在加脊圆锥t e m 喇叭天线和平面t e m 喇叭天线的研究上 成效显著瞄】。在民用超宽带系统天线方面，国内也有学者对于双锥天线、圆盘 天线等进行了研究。哈尔滨工程大学对有限长宽角双锥天线的超宽带特性进行了 分析 2 6 1 ，讨论了天线为宽角双锥天线时天线输入阻抗的近似表达式，从而计算 出双锥天线的宽带特性。哈尔滨工业大学利用平板圆盘单极天线，设计了一种小 7 江苏大学硕士学位论文第一章绪论 型化、宽波束、圆极化超宽带天线1 2 7 。由此可见，对超宽带天线的研究，不仅 具有一定的学术价值，而且对通信、测量、探测等技术的发展也会起到推动作用。 在超宽带天线设计的计算机仿真方面，目前使用的方法较多，比如m o m 、 f e m 、f d t d 等。但由于f d t d 具有在时域直接描述辐射场，只需一次计算，结 合后处理，便可获得宽频带内天线的频域特性等优点，逐渐成为超宽带天线设计 中的有力工具 2 s - 3 1 1 。目前使用的f d t d 仿真程序多为两类，一类是研究人员根 据f d t d 原理，利用编程语言自行编写开发的仿真程序【3 2 】；另一类是由一些公 司、大学或组织开发的f d t d 通用仿真软件包，如x f d t d 、q f d t d 9 0 等【3 引。 使用f d t d 方法分析和设计超宽带天线碰到的关键问题是对待分析的超宽 带天线进行建模和网格剖分。许多研究人员自行开发的f d t d 计算仿真程序大 都针对某一特定问题，这些仿真程序虽然在计算能力上不逊于商用仿真程序，但 存在着缺少友好的用户界面、建模效率低、模型无法可视化显示等不足，不利于 推广应用。比如建模时，一般是根据待分析天线的结构与尺寸，分别计算天线结 构中型值点的位置，然后，利用这些点的信息，人工对天线模型进行网格剖分， 这样的做法即繁琐，又容易出错，并且当同一结构天线尺寸发生变化时，需要重 新手工进行网格剖分，工作量重复，更不要提对此结构的天线进行参数化的分析 和优化了。与之相比，商用的f d t d 仿真程序，如x f d t d ，虽然提供了一定的 人机交互界面，可以通过软件界面建立天线模型，然后通过软件进行网格剖分， 相对手工剖分网格的方法，的确可以提高效率和减小出错的几率。但是提供的建 模功能比较单一，即能够仿真的对象结构比较简单，对复杂结构的对象或者无能 为力，或者需要借助于第三方软件帮助建模，效率较低。同时，x f d t d 等软件 包中不提供使用参数建立模型的功能，因此当天线尺寸发生改变时，不能自动重 新建模和网格剖分，不便于参数化分析和优化。 因此，研究和设计简单、高效的建模方法、模型可视化方法和友好的用户界 面就显得尤为重要。高效的建模方法、良好的用户界面无疑会为超宽带天线的 f d t d 仿真提供极大的便利。 同时，当对某一超宽带天线提出具体的性能指标后，如何寻找或设计与之对 应的超宽带天线将成为一个棘手的问题。由于天线结构中的某个参数改变时，天 线的性能也会随之改变。这给天线的设计工作带来了极大的困难。解决问题的方 法之一就是对超宽带天线进行参数化分析，即通过仿真一系列不同结构参数的超 宽带天线来寻找其中的变化规律，进而分析、设计出满足性能指标的超宽带天线。 这种方法虽然可行，但是需要的工作量较大。另一种方法就是在超宽带天线的仿 真和设计中，借鉴高效的优化算法，寻找最优的天线结构。因此，对超宽带天线 设计中的优化方法进行研究，会使天线设计工作的效率得到很大的提升。 江苏大学硕士学位论文第一章绪论 在天线的优化问题上，遗传算法由于借鉴了生物的自然选择和遗传进化机 制，能够进行全局优化自适应概率搜索，成为了优化算法的首选0 4 1 3 5 1 。当然其 中，对染色体、遗传算子和适应度函数等的选取将直接影响优化的结果，需要认 真考虑。特别的是，目前国内外已经有学者开始在f d t d 仿真中加入遗传算法， 以此来优化超宽带天线设计。j e o n g p y ok i m 等人使用f d t d 和遗传算法对超宽 带印刷单极天线进行了优化设计，使天线在3 3 - 1 0 5 5 g h z 内电压驻波比低于 2 1 3 6 1 。西南交通大学的覃延明等人采用f d t d 仿真结合微遗传算法( m i c r og e n e t i c a l g o r i t h m , m g a ) ，优化了超宽带t e m 喇叭天线的设计1 3 。不过，由于u w b 天 线通常有许多个结构参数会影响到性能，其优化设计方法需要进一步深入研究。 1 3 研究工作及意义 为了更好地进行超宽带天线设计，并为其提供高效、便捷的分析手段，本文 以f d t d 为计算机仿真手段，以典型超宽带天线建模与仿真设计为主要研究内 容，完成了以下几方面的研究工作： l 、f d t d 计算模块开发。我们与德国d a r m s t a d t 技术大学计算电磁学实验室 的董晓婷博士等合作利用c + + 程序语言开发了f d t d 计算模块，通过该计算模 块可对天线的参数进行仿真分析。 2 、超宽带天线f d t d 建模方法研究。本文针对典型的超宽带天线的类型设 计了高效的建模方法。该建模方法首先根据天线的实际形状，采用若干结构参数 对天线进行描述，如双锥天线中的锥体长度和锥角等，然后按其几何特点分解成 线、面、体等若干部件，根据一定的网格剖分算法产生各个部件的f d t d 网格， 结合天线的结构特征，最后完成对该类超宽带天线的f d t d 网格描述。 3 、超宽带天线f d t d 建模仿真环境设计。结合f d t d 高效建模算法和计算 模块，本文开发了具有良好用户交互界面的超宽带天线f d t d 建模仿真环境。 当利用该环境分析同一结构，不同尺寸的天线时，只需要重新设置不同的结构参 数，通过建模方法可以自动地生成对应的f d t d 网格模型，然后利用计算模块 进行仿真，使用方便、快捷。已建模的天线类型包括用于辐射窄脉冲的t e m 喇 叭天线以及若干满足f c c 规定中3 1 1 0 6 g h z 频段应用的小尺寸天线，如双锥 天线、领结天线、圆盘天线、微带天线等，且具有一定的扩展性，可方便地添加 新的天线模型等，并利用计算机图形功能对所建网格模型进行了二维、三维可视 化显示，可放大、缩小、平移、旋转等，便于对所建模型的直观了解和对模型正 确性的检查。仿真结果包括方向图、输入阻抗、v s w r 、s l l 等，并可获得天线 辐射的时域电磁场波形。 4 、超宽带天线仿真设计方法应用举例。本文利用超宽带天线f d t d 建模仿 9 江苏大学硕士学位论文第一章绪论 真环境进行了大量的超宽带天线仿真，设计、制作并测试了一系列超宽带天线， 仿真结果与理论、已有研究成果或实际测试吻合较好。 5 、超宽带天线优化设计研究。为了便于对天线进行优化设计，本文在f d t d 仿真环境中集成遗传算法等优化算法，可对天线进行优化设计。优化结果表明， 本文提出的优化方案是可行和有效的。 本文研究的超宽带天线建模和仿真设计方法，通过建立天线的f d t d 网格 模型，利用计算机对模型进行模拟仿真，借助计算机的高速运算处理能力，完成 超宽带天线的分析、设计、性能优化以及评估测试。该研究不仅能提高天线设计 的成功率，大大缩短天线的研制周期和节省投资费用，而且能间接地促进更多超 宽带应用的发展。 1 4 论文结构安排 论文结构安排如下： 第一章，在简要介绍超宽带技术的基础上，对超宽带天线进行了概述，介绍 了超宽带天线的设计方法，分析了本文的研究背景，接着介绍了相关研究现状， 讨论了超宽带天线设计中的仿真设计方法及存在的问题，介绍了本文的主要研究 内容，最后给出了论文的结构安排。 第二章，针对本文仿真中使用的f d t d 算法原理进行了简要介绍，同时也 对f d t d 计算模块的实现进行了描述。 第三章，在介绍f d t d 建模一般步骤的基础上，对常见的线、面、体等的 网格剖分算法进行了研究，针对常见的超宽带天线，如t e m 喇叭天线、双锥天 线、领结天线、圆盘天线等设计了f d t d 建模方法，并利用计算机图形功能对 所建模型进行了显示。最后，设计实现了超宽带天线f d t d 建模仿真环境，提 供了良好的用户交互界面、模型可视化显示等功能，为进一步分析研究超宽带天 线提供了便利条件。 第四章，利用f d t d 仿真环境对典型的超宽带天线进行了仿真，分析了不 同结构参数对天线性能的影响，设计、制作并测试了用于辐射窄脉冲的t e m 喇 叭天线和一系列满足f c c 规定中3 1 1 0 6 g h z 频段应用的超宽带天线。仿真结 果与理论、已有研究成果或实际测试相比表明，本文提出的建模和仿真设计方法 具有较高的准确性和可靠性。 第五章，对遗传算法进行了概述，测试了本文所开发的遗传算法程序，对优 化方案进行了探讨，并对超宽带t e m 喇叭天线进行了优化设计。优化后的t e m 喇叭天线最低工作频率得到了降低，得到了相对较好的结果。 最后，本文对论文工作进行了总结，并对下一步的研究工作进行了展望。 l o 江苏大学硕士学位论文第二章f d t d 算法原理及应用 第二章f d t d 算法原理及应用 f d t d 方法是求解电磁问题的一种数值技术，它于1 9 6 6 年由ksy 0 e 首次 提出。ksy e e 利用f d t d 方法研究电磁脉冲与理想导