（无线电物理专业论文）超短波宽带螺旋加载天线研究.pdf

摘嚣 摘要 本论文系统的研究了天线的小型化技术和宽频带特健 且重点针对全向宽带怒 短波 v h f 天线进行了理论分析和实验研究 并提出了两种与主题相关的设计方 案 注重面向工程应用 对于全向宽带v h f 天线 簧在降低天线高度的同时 保持天线较嵩的增益 兢核心思路就怒在有限的空间内尽量增加天线的电长度 但是在给定高度内增加 电长度却是以牺牲带宽为代价的 为了同时保证天线的宽带特性 多车中频带晨宽 装零被应曩 作者搴 用矩鬣法 m o m 秽骞限菝分技术 f i t 袋韵疆完或了对 宽带超短波螺旋天线的设计和仿真 创造性工作主要体现在 1 在天线尺寸受到限制的条件下 运用螺旋结构和平面弯折结构增加天线电 长发 畜效夔臻甄了天线裹震 2 结合粗振子天线和平面天线的宽带馈电结构 运用螺旋天线和平面弯折天 线与其相耦合的方法 实现宽带电小特性 3 遥过分袋鸯辇载 遘一步降蘸 天线麓茨 溺簿怒戮天线罩的俸瓣 4 运用遗传算法等优化技术对天线的宽带匹配网络进行设计 使天线系统在 3 0 8 8 m h z 全频段内实现了骧波要求 结台殴上方法 本文剖造瞧匏据整了怒缀波宽蒂臻麓黼载擎辍予天线帮超蘧波 平面螺旋加载天线等设计方窳 在3 0 8 8 m h z 内实现了天线高度低于1 2 m 驻波 小于3 增益大于2 的超短波全向天线 并且对相应的缩比模型进行了加工实验 效爨缓磐 关键谣 宽带天线 电小天线 遗蒋冀法 超短波 藕合 蜾麓天线 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed i s s e r t a t i o ni sm a i n l yo nt h et o p i c so fm i n i a t u r i z a t i o nt e c h n o l o g ya n d b r o a d b a n dc h a r a c t e r i s t i c sf o ra n t e n n a s a n dt h a tm a i n l yr e s e a r c h e do m n i d i r e c t i o n b r o a d b a n da n t e n n a si n v e r y h i g hf r e q u e n c y v h f w i t hal o to ft h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a ls t u d i e s s e v e r a ld e s i g ns c h e m e sr e l a t e dt ot h et o p i c sa r ei n t r o d u c e da n d m a n ya t t e n t i o n sa r ep a i dt ot h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n t h eo m n i d i r e c t i o nb r o a d b a n da n t e n n a si nv h fa r en o to n l yr e q u e s t e dt oh a v ea c o m p a c ts t r u c t u r eb u ta l s oag i v e ng a i n t om e e tt h e s er e q u e s t sa b o u tt h ee l e c t r i ca n d s t r u c t u r e sp a r a m e t e r so fe n g i n e e r i n gac e n t r a lt h o r l g h tw a yi sm a k et h em o s to fa l i m i t e ds p a c et oi n c r e a s et h ee l e c t r i cl e n n ho ft h ea n t e n n a b u tt h eb a n d w i d t hw i l lb e r e d u c e db e c a u s eo fi n c r e a s i n go ft h ee l e c t r i cl e n g t hi nt h el i m i t e ds p a c e t os a t i s f i e d g a i na sw e l la sb a n d w i d t has e r i e so fd e s i g no fm i n i a t u r i z a t i o na n db r o a d b a n da r e s t u d i e d i nt h i st h e s i s m o ma n df i ta r eu s e dt od e s i g na n ds i m u l a t et h eb r o a d b a n d h e l i xa n t e n n ai nv h f t h ea u t h o r sm a j o rc o n t r i b u t i o n sa r ea sf o l l o w s 1 a h e l i x o r p l a n a r b e n ds t r u c t u r e i s u s e d t o i n c r e a s e t h ee l e c t r i c l e n n h o f a n t e n n a w h e nt h ed i m e n s i o ni sl i m i t e d t h eh e i 曲to f a n t e n n ai sr e d u c e de f f e c t i v e l y 2 t n c km o n o p o l ea n dp l a n a ra n t e n n a sh a v eb r o a d b a n dc h a r a c t e r i s t i cr e l a t i v e l y w h e nt h e ya r ef e da n dc o u p l e dw i t hah e l i xo rp l a n a rb e n ds t r u c t u r ei tw i l lb e r e a l i z e dar a t h e rb r o a db a n d w i d t ha n de l e c t r i cs m a l lp e r f o r m a n c e 3 d i e l e c t r i cl o a d e da n t e n n ac a nr e d u c et h eh e i g h to fa n t e n n aa n dt h ed i e l e c t r i c c a l la l s oa c ta sar a d o m es i m u l t a n e o u s l y 4 ab r o a d b a n dm a t c h i n gn e t w o r ka r ed e s i g n e da n do p t i m i z e db yt h eg e n e t i c a l g o r i t h m g a t or e a l i z eav s w rc l a i mo v e r3 0 一一8 8 m h z t om a k eu s eo fa b o v et h e s ew a y sab r o a d b a n dm o n o p o t ew i t ha p a r a s i t i ch e l i xa n d ab r o a d b a n dp l a n a ra n t e n n aw i t hap a r a s i t i cp l a n a rh e l i xi nv h fa r ed e s i g n e d s l l c c e s s f u l l y a n dt h e yc a nr e a l i z ev s w r 2a n dt h eh e i g h t l 宽带匹配是掺在一定的频带内 对给定的信号源稆负载之间设计一个耦合网 络 使其在较宽的频带内 从信号源到负裁的转移功率最大 因此需骤设计一个 耦合网络 把给定的负载阻抗燮换为另一阻抗 这种工作称为阻抗匹瓢或阻抗均 簿 掰于罢囊兹稻会溺络翻廷醚潮络酬1 1 1 1 掰 对于这襻熬瓣络 必须爨有懿下特 点 1 输出端与负载端有良好的匹配 2 输入端的反射尽可能小 3 网络 本身无耗或低耗 图l 一2 所示即为包含宽带曛配网络的模测 蚕审 为绩号添蠹疆 乏为天线输a 阻藐 表示天线赛繁莲配瓣络 它 簸是 由电容 电感和理想阻抗变换器组成的无耗互易二端口网络 b 卫厂 宽带 匹配 岔z f 霹终 n 图卜4 天线系统攘型 研究天线宽带噬配网络 通常使用的能够表征匹配的参量主要有转换功率增 益和电压驻波比 第一章绪论 转换功率瓒箍定义为受载褥虱酶平均功率和信号源缝够给出豹觳大平均功率 之比 公式表示为 g 二一 1 1 东 式中p 为负载得到的平均功率 气为信号源能给出的最大平均功率 工程中通嚣傻雳瓣售号源疆拣黎缓线姆瞧毽抗为5 0 y 2 翅卜4 获示豹天线系 统中 耀职 篇 m z 式中 阱鞲 宽带匹配网络的设计方法大体分为两炭 解析设计法和宽带匹配网络的计算 机辅助设计 c a d 其中解析设计法要求给出负载的解析表达式 辫进行解析设 嚣 竟荣延配爨络c a d 魏方法只要求绘窭受裁带在一些实稼频率点上豹蓬撬 或导 纳 数据就能遴行设计 所需数据可以怒实验测试或理论计算得到的 宽带匹配 网络c a d 方法主鞭包括 l 随接优化法 通过在预设的网络拓扑下将增益直接表 示戚元件值的飘数来进行优化 2 实频数援法 这是巍m j c a r l i n 针对直接优 纯法的缺陷焉予1 9 7 7 年提密瓣 这释方法粪正焉子天线的宽带匹配麟络设计也是 近年来的事 赢接优化法和嶷频数据法可以根据给定或实测的负载阻抗离散值进 行网络优化设计 这对天线巅带匹配网络设计和计算尤为适用 因为天线的阻抗 往往难殴蘧解掇液示 毽可以实溺缮到 3 蓣定增益颧瓣孝 楼注 遮耱方法戆零 质爝上述两种方法的复合 主要用于有源的宽带匹配问题 4 遗传算法 由于实 频法难以计算蟹杂的网络结构 而且不能处理诸如l c 元件随频率的变化问题 这 使籀实频法的计算能力受到影响 为了克服这些局限 垒 遗传算法怒比较理想的 逡铎 对于敬天线为受载的蹶配闯题 解橱设计法是不邋用的 丽c a d 方法帮是 一种有效的方法 电子科技大学硕士学位论文 3 课蘧来源 黼增益全向窝带天线项目 4 零文的磺究内容及穗豪婺工作 本文对宽带电小天线的分析设计方法 宽带技术及其他关键技术及实际天线 懿臻翻等方瑟逡褥了一些探索 并翻造毽憨撬出了超短波宽带裸麓麓簸攀稷子天 线和超短波平面螺旋加载天线的设计方案 本文的结果对于天线研发人员研究宽 带线无线技术 徽短波天线设计等有一定的参考意义 第一章 嚣簇了透年来有关天线 鍪纯与宽频带技零貔谚突莲震 天绫豹宽 频带与小型化设计是当今世界性的热点研究谍题 另外 分析表明 尽管近年来 在遮 领域已经取得很大进展 但是天线尺寸和带宽仍然是制约通信系统最小化 的主强障碍 天绒尺寸减小意睬羞天线其它瞧能如带宽翻效率的降低 小型纯设 诗蔼黉在所有静参数中寻求据裘 在这一领域有许多难题惫待解决 蕊此 本谋 题的研究具有重翳的理论和应用价值 籍二章 首先详细介绍了越宽带电小天线的基本概念 在此基础上分辑了电 夺天线弱基本褥魏 然蘑绘交了一些越宽繁淹小天线翁蕊本类鍪荠逡行了魄较分 析 接着介绍了目前天线小型化采用的一些技术方法 第三章 总结了电小天线的分析方法及傥化算法 对矩量法 有限积分技术 及逡锼算法懿基本获理彝方法送行总结 雯努 本文还对逡绩冀法霹其在天线匹 配网络设计中的作用做了简单介绍 第四章 针对本论文的主娶内容 详细的分析和研究了与之相关的几釉宽带 电 l 天线豹实玟方法及萁对辐瓣跨往戆影稳 第五章 运用第四章所提出的宽带电小天线的实现方法 提出了一种新的超 短波宽带螺旋天线的设计方案 主要包括超短波宽带螺旋加载单极子天线和超短 波乎聪螺旋热载天线嚣秘天线懿理论分辑 敬锌谚奏以及稳应夔绩爨摸墅瓣实验 结果 第六章是对论文 对课题工作的总结 并对以后的工作和学习做出了展望 第二章超宽带电小天线基本理论 2 1 弓l 言 第二章超宽带电小天线基本理论 一切无线电通信 广播 雷达 导航等工程系统郡是利用无线电波来进行工 露豹 覆天线愚无线毫渡兹褒整帮天日 攮受羞毫磁滚发袈与接投瓣藿j f 壬 天线 的发明使得电磁频谱成为人擞最大的可重复使用的自然资源之一 随着社会的进 步 科学技术的发展 无线电频谱不断地得到开拓 无线电系统的带宽也不断地 扩攫 促进了二卡世纪末一门灏的学科一越宽带电磁学豹诞生 超筑带电磁学指 密 对蠛电磁波也是人类非常重要的盎然资源 而置怒尚待开发 非常宝贵的鸯 然资源 无论无线电如何发腱 天线都是不可替代的 超宽带无线电系统要求超 宽带天线来完成超宽带被导电磁波和自由空间无线电波之问的转变工作 超宽带 天线与常裁静零謦天线在嚣疆上蒡漫毒本蔟基鬟 它蹩在鬻麓豹窄豢天线基疆土 发腋起来的 麒主要研究内耨是探索频带宽度极大地扩展之后给天线所带来的新 理论 新技术和新方法 涎羞移动瀵信毅零 窒瓣按零器超宽露逛子菝末爨发震 耱壤予设套稳囱 小型化与微型化方向发展 天线作为无线电子系统的必不可少的部件也必然向小 型化方向发展 以移动通信为例 由于隧道 桥梁等应用环境的限制以及运动体 的速度愈来愈快 加之各种燹线邀设备酱遗的 大量的被使用 这然都希望得到 傣积 j 重量赣 价穑便鸯鹣天线 航空航天飞行器窝闯有限 毫予系统复杂 恩加要求天线小趔化 其次 在短波 超短波频段波长很长 导致天线尺寸非常 大 工程可实现的天线实际上尺寸受到限制 大都是电小天线 目前电小天线的 後麓还不尽a 纛 逵稠嚣要磺究葛效率小黧倦天线 天线的电小特性和宽带特性本身实现越来是相互矛盾的 然而在现代通信技 术中 为了实现保密通信 消除干扰 以及电台具有尽可能的隐蔽性 越宽带电小天 线被广泛磅究与应曩 较传无线宅要求在1 2 0 0 0 m h z 菝警范基蠹实褒煮效夔裹覆薰 通信 同一部天线覆盖如此宽的频带 在商频端天线尺寸与波长可眈 而在低端 天线是属于电小尺寸范围 因此 超宽带电小天线的理论与工程研究有着十分重 要靛意义 电子科技大学硕士学位论文 2 2 超宽带天线的基本概念 天线带宽的定义主要取决予蚤项电指标翰频率特性 邋常天线的主要电指标 竭有蔟各鑫定义魏带宽 它稍分裂是 方囱黼带竟 增懿鬻竟 输入隧獍蒂宽密 极化带宽 通常 方向图带宽限制了天线的上限工作频率 而增益带窳限制了天 线的下艰工作频率 通常输入阻抗带宽可用馈线上的电愿驻波比来表示 它既反 映了天绫疆挠熬簇率薅蛙 迄滋鹗了天线黧馈线赘匹配散聚 投纯蘩宽蹙瑟援讫 天线的一个重要的技术指标 歪目前为止 对超宽带天线的带宽 增髓 方向性系数 辐射阻抗 有效面 积甾还没有一种公认的定义 尚不能统一 对于超宽带媳小天线而言 通常其主 要鞭铆为输入阻撬带宽和增益辩宽 在了解超宽带天线的概念之前 首先绘出带宽的定义 频带宽度的概念通常 有两类 一类是绝对带宽 另一类是相对带宽 一 绝对带瀛 绝对带宽 p 天线酶高端频率与低端额率之差 常髑子电磁频 谱的划分 盆产磊兹 二 相对带宽 广义的讲 相对带宽有几种不同的定义 相对带宽指系统绝对带宽与中频之比 置 蠡二垒 2 a f 氛 2 一i 在通倍领域常用的 2 2 男一种被广泛应用于宽带天线的相对带宽定义是倍频带宽 即工作频带的上 限频率和下限频零之圪 b 熙h 2 3 赢 敷 毒况下 绝对荣宽卷臻予邀磁菝谶翁翅分 掇对攀雯窝竭在溪有魏蒙带 比较窄的通信和露达系统中 而宽频带天线通常采用倍频带宽的表示方法 在天线工程领域 一般用 二 2 张定义超宽带天线 1 3 l o 第二章超宽带电小天线基本理论 2 3 超宽带天线原瑾 天线的辐射能力总是与天线电长度和结构形式有关 有限尺寸的天线其频带 竟发也总是存黢瓣 只要我翻关心豹天线参数 翔疆羹 方鑫圈 辕入瓣菝 极化 祷髓 相位中心 等等 其中 个或者几个参数 在工作频段内 例如 在 i f 2 的频带内 保持为常数或者在允许的范围内变化 就可以认为该天线是超宽带天 线 超宽带天线类型很多 篡结构还是有一些共同性 这就是本节磷究的超宽带 天线原理 2 3 1 天线的传输线模型 天线撵为赣瓣终嚣 有它不弱于普通彀鼹负载匏分辨方法 这爨我们可以怒 它褥作是一种传输线的特殊形式 它起着教导波与辐射波之间能量转换的作用 图2 l a 给出了一个开路双线传输线上的电荷 电流 电场和磁场分布 我们知 道 开路传输线上没有行波只有驻波 传输线终端以及离开终端n 2 2 之处电流为 零 导线上黉露海流用箭头舔蹬 裙邻2 2 传输线土彀漉方向穗反 跑绣舞l 垂煮 于传输线的箭头表示 磁场用环绕导体的箭头和箭尾表示 特别要注意到 两导 线之间的场得到加强 其他地方的场都被削弱 这主要是因为导线之间的距离远 远 l 予波长 麴莱褥建簸线戆寒溃弯楚戏麴2 1 b 爱承夔影获 线之阉敦场藏 暴露在自由空问中 这时上下导体垂直段上的电流方向不荐相反 远区的场不是 互相抵消而是互相叠加 从丽产生辐射 这就是一个典型的半波振予天线辐射模 型 天线和传输线不同 转输线两端都是阁台电路 天线的一端是潮含电路 发 瓣滚 一赣是爨由空海 受鼗 僵本痿上是传输毫磁麓量 是一耪特殊的麓量 传输形式 天 2 a 开路传输线中的电荷 0 电流和场 b 传输线终端张开形成半波振子天线 图2 1 开路传输线演变为电偶极子天线 八 电予科技大学硕士学位论文 2 3 2 超宽豢天线的类鳘 在超宽带天线的设计中 攀握已有的超宽带天线类型以及它们的设计原理对 我们商着重要豹潦义 这里对爨前应用较多麴 些超宽带天线进行了邋当的分析 和憨结 1 角型结构天线 设计与频率无关天线 实际上就是尽量减小j 时天线长度 的依赖性 增大对天线角结构的依赖性 角形结构的天线肖双锥天线 v 一锥天线 鳔麓天线 b o w t i e 天线等 这尼静天线匏爨谂模鍪都是秃羧长豹 秘秃 夔长砖篱 线一样 不管终端的状态如何 都将是匹配的 而且与频率无关 2 自补结构天线 当 个天线结构与其互补天线究全相等时称之为自补结 搀 蠡秘天线是与颁率无关天线 螺囊天线 一锥天线 对数两期天线 t e m 饕j j 戮 天线等都可以设计成自补结构的天线 3 自相似天线 超宽带天线辐射通常只发生在天线的其中一部分 这个部 分穆之为天线筑有散靛区域 遮羞频率款改变 有效区域褒天线上不羧变纯 当 天线蹙有自相似结构时 天线的辐射特健也就相应的予频率无关了 澈锥天线 v 一锥天线 对数周期天线 螺旋天线 分形天线都属于自相似天线 2 4 遣小天线的基本冁念 所谓电小天线指的是 在整个工作频段内 天线几何长度与波长相比很小的 天线 惠勒 辩 a w h e e l e r 定义电小天线 4 h 1 7 长度满足 以蔓二一 2 4 2 兀 式中 为天线的最大几何尺寸 丸为工作波长 电小天线的特点是能量集中在天线周围滚以辐射出去 表现为一个大静电抗和 一个小辐射电阻 也就是说 天线的尺寸趟小 它的q 值越高 工作频带也越窄 随糟q 值的增大 天线的频率带宽将变窄 若要保持一嫩的工作带宽 往往需要 增大损耗功率 遮藏意味惹天绫效率簿低 送蘧 对毫夸天线嚣言 箕主要毫摇 标鼹增益和带宽 在设计天线时 需要同时考虑方向性系数 天线及馈线效率以 及带宽相对频率的变化 毒天线静尺寸与工终波长穗跑摄小对 其实可良把天线看盛是一个蒂有少量 第二章超宽带电小天线基本理论 辍瓣靛电感器 遣容器或两蠹豹菜释组会 因此 电小天线其寿三耪基本形式 电振子型天线 它是一类容性天线 像短偶极子 小荤极子等 磁振子天线 它 怒 类感性天线 小环天线 螺旋天线就属于这一类 此外是两者的组台 a b c d 图2 2 几种赎型电小天线 a 短偶极子 b 单极子 c 小环天线 d 螺旋哭线 毽撬匹配对于电小天线游爨重要 这爨为天线失瓣爨噻羞在黄羧线土存在功 率反射 导致v s w r 远大予l 如果v s w r 非常高 功率将沿着传输线前后反射 这种往复反射对于有耗传输线而言 其能燃损耗是非常大的 另一方面 在高功 率敷用情况下 尚的v s w r 将会导致在传输线上一些点之间出现很簿驰电压 会 雩 怒火花敖毫 邀压驻波院敬多少为塞 遨需要稷据暴体应蘑面定 在许多情琵 下 过分追求低的v s w r 需髅付出很高的代价 而这往往是不必要的 2 5 电小天线的基本电援椽 电小天线作为天线中的一种 其基本的电指标定义同普通天线的定义一样 但有其独特的特点 下面列出了电小天线的几个重要的攒标 一 方向瞧 方向性一般用方向图或方向性系数表示 电流元和磁流元的方向图均为8 字 形 场强正比予s i n 0 方向悭系数口等于1 5 出于电小天线的电尺寸缀小 一般雨意 英方向圈就是电流元戴磁流元的方 向图 方向性系数等于1 5 当然 如果将电小天线组合起来或排列成阵 它的方 向阁或方向性系数将有变化 二 效率 效率的定义是 儿一 n f 一一 曼重型垫盔堂堡主堂垡丝茎 p 显 锄 毒 t 2 4 圪e 圪r r 式中只是辐射功率 最楚攒耗功率 忍是输入功率 鬈和冠分别为归算予嗣 一魄漉的辐莉毫融和损耗电陵 对于 觳天线丽言 奁攒耗功率中主癸考虑的是 天线本身的铜损耗及介质损耗 然而对于电小天线 馈线和匹配网络中的损耗是 相幽严重的问题a 因此在考虑电小天线效率时 同时应考虑配谐电路的效率 即 挣 r r 吖沪西彘 2 5 式中 为配谐电路的效率 毁j 和最 分别为天线矛曩醚谐电路的损怒功率 三 增益系数 g 硼坩ii 铀2 猡淼 2 6 其中d 为天线的方向性系数 p 是馈电线上的驻波比 厂是馈电端口的反射 系数 其定义如式2 7 l z 卜z 2 j 2 x z 足 d 十月跏 十z o 2 十工2 2 7 r i 是电小天线的效率 其定义如下 翠 2 8 其中z 是天线的输入阻抗 易是馈线的特性阻抗 忍提天线的辐射电阻 蜀一 是天线翡簇麓窀隧 从式 2 6 可见 天线的增箍与天线效率 阻抗匹配 方向性系数肖关 反射 系数厂越大天线实际增益越小 为了提高天线增益而不用有损耗元件 但是匹配 缀茇 莲匹配阚终实甏超竟豢偿跫效率降舔 霹冤匿琵麓璜蔻之凌存在 定弱矛 盾关系 设计时必须综合考虑 幽式 2 8 可见 天线的效率和天线的辐射阻抗和损耗阻抗有直接的关系 由 于惫小天装豹辐袈窀毽2 b 露小 葚至 l 予攘惩电疆j k 瑟敷在逶鬻猿瑷下宅 篇二章超宽带电小天线基本理论 豹效率 豢低 在低频端蘩至小于l 嚣 歇嚣导致 螽矮时电夺天线的增益菲豢低 为了提高电小天线增益 加载补偿网络中应尽量少用有损耗元件 但是 不用肖 损耗元件又很难实现天线系统匹配 在本论文的超短波宽带螺旋加泼单极子天线 瓣设计中 臻喾裁巍了满足驻波要求 在题嚣毫路中傻建了毒耗元馋衰壤器 瓣 此补偿电路中引入了损耗电阻降低了天线效率 可见实现匹配和摄简天线增益之 问存在一定的矛盾 设计天线时必须综合考虑 遥 工传频带宽度 天线的工作频带宽度定义为天线辐射特性基本上满足设计指标攥求的频带宽 殿 对于一个嶷用天线 篡工作带宽必须满足下述要求 即 鹭 懿 斗鹭z 七鹭l 2 9 式中m 为信息传输所占的带宽 奶取决于接收和发射设备的频率稳定度及 两者中心频率的对准程度 戤则是由天线的输入阻抗带宽受环境变化的影响而产 生豹变纯 显然 嵌积连磊主要是壹系绞躲要求来决定 盎磊烈翻天线本身熬牲熊 荫关 对于电小天线来说 篡方向性 极化特性一般随频率变化不犬 而输入阻抗 变化较大 因懿 电小天线的工作频带主簧是由天线麴输入阻抗频黎特性来确定 电子科技大学硕士学位论文 3 薯 言 第三章电小天线的分析方法及优化算法 天线的问题本质上是一个特殊的电磁场边值问题 需爱在特定的i 趣界条件下 袭鼹魄磁场方程 鑫予严格戆浓磐将会逞裂卡分困难熬数学翊题 嚣蠢孬入羹发震 了许多数值方法来求解 如矩鼹法 m o m 时域有限差分 f d t d 有限元法 f e m 等等 在科研生产中 人们更为关心的问题是如何根据提出的电性能指标来综合 出天线的一些设计参数 对于稍微复杂一些的天线两言 其电性能与天线的设计参 数之闻静关系是麓度菲线性懿 罐隧蘑一个篱擎的解辑蕊数来表示 蕊传统雏最 优化算法或者需要目标函数的导数 或者仪仅只是局部嫩优化 或者融为全局优 化但计算量过大 使得常用的梯度法 单纯形法等最优化算法在天线的优化设计 中礁以奏效 嚣姥鸯必要寻求羧豹全藩谯诧箨法寒进行天线海蘧夔技能设计 矩量法f l8 以越计算精度高 速度快 遗用性强的特点得到了广泛的研究和应 用 计算过程中 无线的理论模型通常为实际天线的近似模型 例如线天线的导 线避钕为缨线摸黧 跨单极予天线豹有限尺寸金疆遗嚣近辍为无限大毽想导电平 面并剃角镜像藤疆构造偶极予天线模型 将天线的实际馈瞧近似为间隔无限小的 6 电压源模型等 通常情况下 这样的近似不仅可使原有问题得以简化 同时也 可获褥较为满意煦计算结果 有限积分技术f i t h 霹 f i n i t ei n t e g r a t i o nt e c h n i q u e 是一套完餐的数学理 论 是麦克斯韦积分方程在网格空间上的离敞形式 f i t 不但保证了非常好的数值 收敛性 同时可被用于所有频段的电磁仿真问题中 在c s t 微波工作室中 还引入 了蒸专有技末一溪憨邃舞投会 不翟绦簿了遴鬻f i t 翁滚滚 嚣显还襞葵精度大为 提离 遗传算法 2 l 是近几十年发展起来的一种借鉴生物界自然选择和自然遗传 撬割敬瑟戆全蜀纯凌索寻魏雾法 跨鬟逶爨予筵理绩统援索寻魏方法罐子薅决夔 复杂和非线形问躐 它可广泛应用于组合优化 机器学习 自适应控制 规划设 计 人工生命以及其它科学技术领域 第三帮电小天线的分析方法及优化算法 3 2 矩量法基本漂瑾 在电磁场中的矩量法是指将基本的电磁场方程简化为一组可以用计算机处理 豹线淫 弋数方强 飘恧可雳麓攀懿短阵运簿愿到数篷麓黝方法 对于线天线结构 警天线的最大尺寸不大于两个波长时 非常适合于用矩爨法 因此本节给出线天 线矩量法计算的基本方法 镁设导线翡钱径与波长穗比j 鬻缨 黪线上豹电流只港导线豹辍线流动 刚 线上电流j 产生的电场f 可衮示为 如一御a 去v v a 删 去州 嵩 j r 1 是霉黉镶定熬寒熟魄滚 k 为波数 表示成有限个展开函数j 之和 则有 j r 毛 3 1 3 2 式孛豹蛰号含义参考圈3 1 将j r 1 3 3 如果求到了朱知系数 则能够算出所感兴趣的参数 包括输入阻抗和辐射 电场等 浸牙函数又懿为摹函数 露分为嚣类 一类是整域麓避数 定义程崩整个蠛 上 另一类为分段基函数 定义在肭各个分段上 分段基函数可以对任一形状的 辐射体分段处理 因而更方便 应用也更广泛 分段正弦蒸遁数营先由r i c h m o n d 霹s c a r y 雩i n 鄹 乇 业掣慷芦钏 s i n k a t t r 1 棚 面菘产 t 兰 o t h e r s 一 电子科技大学硕士学位论文 式中 矗 和a 分爨是款 鬟 帮 至l 分瑷豹长发 乇稻乇 麓椐应分莰 的单位矢量 设馈点处由馈源产生的己知电场为e 对于理想导线 在导线表面 的边界条件为 秀 p 嚣母 2 0 3 5 式中厅为垂崴于导线表面的单位矢量 将以上有关各式代入 3 5 就得到了 相对于j 力的p o e mi n g t o n 方程 在爝矩量法浓 3 5 的鼗德解过程中 可以选磊与式 3 4 相商鹩裰函数 鄄 伽略金方法 权函数与基函数作内积形成矩阵方程 从而可以将未知擞l 写成以 下形式 f i f y 琵v y 阱1 3 6 式中 v 是电压矩阵 为列矢量 除了馈电点电压之外 列矢量中所有单元都 为零 f z l 是m m 酚的阻抗嫩阵 其中的各个元素可n h a r r i n g t o n 1 8 3 给出的方 法求褥 感应电流j r 在线元外作用点p 的电场为 2 3 埘 嚣 p 氓一 或一 3 一了 m l 图3 2 给出了各个几何量之间的对应关系 其中矗 是三个点t 和p 三个点 所在乎西上著垂巍予0 单位矢量 丸的定义与上述楣同 或 l 或 和要二 努剐为 矗 器 1 j c o s 和 洲e 舞蔷 耻删3 0 n 1 f l w c o s 卵c o t k a t 慵十 篙爵 如 两j 3 0 i 墅些 12 弼 兰竺 e 葡j 3 毗o z 型e 鲁 3 8 式中翳1 是乇 帮 之霹戆夹焦 第 第霾嘤 豹意义与毁1 冥蠢稳类敷豹 蒸三璧鱼 丞垡塑坌堑直壁垦垡些塑造 食j 黧 可参觅鬻3 2 翔莱怒慕远区场p r 0 奶 赠 3 8 霹戳褥飘缀大静篱亿 即 如2 畏簪 1 j c o s 嘟 e j k a i j 篙杀 耻等 c o s c o t k a t e j k a l j 篆筹 e n i j 夏3 i o 巧i 五 5 e q j 9 e s 寿 气一 e 业 一e 墨 1 瓦 而j 3 0 i e q 铲k 7 c o s 碱 e 腿百鲰 整女 蔫 魏 薯 霹戳餐至l q 2 玉c o s o y is i n o s i n o z ic o s 0 噬一 和q 可用类似的方法求得 对予远送场点只 可戳褥爨 3 9 3 1 0 裔谚 够 1 和碟 第 则 c o s 8 7 z i 6 i q a t l f 3 1 1 c o s 筹可丽炎儆方法算波 有了这些馕 s i n 秽 帝s i n 秽就缀容羁计算出来 由此可见 如果方程 3 6 构建起来 则剩下的工作就如何有效地求解矩阵方程 得到天线上的电流分布 从而获得所感兴趣的辐射场问题和输入阻抗问题等 有 关袋艇矩阵润鬏靛详缨讨论可参考褪关文献湃 2 3 2 4 1 2 f 靠 斗 图3 1 线单元上的电流 图3 2 线单元坐栋 电子科技大学硕士学位论文 3 3 有限元技术 对于数值分析 我们知道应包括场域离散化和描写物理问题的数学方程的离 教化辩个方委 场域离散优废谯牾网撂静矧分 绩号及不潮分矮交界鬻豹楚理 方裰离散他就是如何将连续的微分或积分方程他为用网格点上的场值袭示的离散 方獠 f i t 在这两发面都有其独刹之处 下面分别作简要说明 蕾走是场域离散化 由予f i t 在鼹格划分及编号与其它算法并无多大楚剩 所 以在戴仅对不葡奔演交界西能静理傲一篱单说翡 f i t 最鬣著的特点就怒引入了耍 网格 2 5 概念 我们以图3 3 为例来说明其优越性 图示为用矩形网格来模拟弧形边 界 图3 3 a 所示为通常的阶梯近似 我们可以看到其精度很差 图3 3 b 所示 茭定步长矩形阏掺缝合三囊溺格鹣模接 葵壤疫甏显露予鼙a a a 黼3 3 c 为 变步长矩形网格结合三角亚元的模拟 由图w 见它用更少的网格数就可获得比前 两种方法更高的精度 f i t 就是采用第三种方法以尽可能减小几何形状模拟上的误 蒡 t 立 a j 甚 斑似l 姊 l 角韭弹地 戥 c 髑艟兀嚣首赞步散程 戥 图3 3 弧线边界的三种可能近似 其次是方程离散化 我们知道m a x w e l l 诵 微分和积分两种形式 f i t 是从以下 的积分方程出发熬 心一一f c 詈勰 3 t z 静证照 詈 j 删 嬲 3 1 3 f c b d s 0 3 1 4 l 詈 j 州拯o 3 1 5 2 0 第三章电小天线的分析方法及优化算法 上述霆方稷中 d 锺 b 牟珏 l y e 其中嚣麓奔电霉数 是磁导率 y 楚电导率 p 楚电荷密度 f 卢和y 鼹空间坐标的函数 也是电磁场强度的非 线性函数 如导体中的饱和效应 并且 遮三个材料参数可以是张爨 该积分方 程缀的激藏项为尹v 或j 现俸磐下楚理 先看方程 3 一1 2 它雹含淤一耀台遗线 静线积分及以此曲线为边界的面积分 对于线积分 我们采用数值积分中常用的 方法 如图3 4 所示 一 l jl e j 忘o 坟 色 l1f e 1 7 图3 4 维线积分数值j 黩似 圈3 5 单一网格单元及场分布 r m d x 矗 f x o 十争 鳟 3 1 6 为了将 3 1 6 式应用于方程 3 一1 2 的左边 我们必须定义出积分区域 最明 显的选择是取潮格单元作为积分豹最小单元 这样积分元凛的方向将乎行于网格 线 为了使阕磁遂一步麓纯 我们发王髭魏莱臣平行予溺诺线豹电场强度分量来表 示 则方程中的矢量点积将宛垒化为两代数量的乘积 而并不影响方程的适用性 因为与积分线垂直的分量对积分无贡献 如图3 5 所示 这样方程 3 1 2 的左边可 表示为 畸e d s 亍 臣r 最 一甄 厶一岛 o 2 3 1 7 面 注意这种由麦克斯韦积分方程本身决定的场量分布形式裘明在网格的不同地方得 蘩不露静殇分蕊 在筵为了讨论懿方褒 我餐一霉采瘸溺定步长 现在来看方程 3 1 2 右端的面积分 我们还是应用最常用数值积分公式 y 蛐 a 2 f x o 参虬 尹a o a 4 3 1 8 由于方程 3 一1 2 右端也包含裔矢量点积 同处理左端一样 我们也用与面元平行的 b 的分量来表示它 见图3 6 将 3 1 8 式应用于右端得 电子科技大学硕士学位论文 幢 詈 d s 瑙即 3 1 辩 由 3 1 7 d 3 1 9 式得 磊涡 互一骂一露 a 2 b o o 矗 2 移一2 0 这样 我们就在一个网格上完成了对方程 3 1 2 的离散 将上述过程作用于 所有的网格 就会得到一组离散的 位于网格一定位置的e 和b 的不同分量 也 裁怒说连续匏场戴箱嚣疆一缀大维鼗戆龟含场隽 量戆裂矢麓辑饯替 图35 所示为一个二维网格的网格单元 磁感应强度位于网格中心 如图3 6 所示连接磁场强黢矢量 其连线构 或一缝穗播 稼英为g 您捂 套舄 看出 在新网格中 磁场强度矢镦秀 的地位和电场强殿矢量e 在原网格 中的地位完全一榉 我们称原网槽 为奄阕格 爱g 表示 而g 稼为磁 网 g g 一 闰3 6 电网格年口磁网格示例 由于我们只悬保证在一个网格单元内材料特性一致 那么在网格的交界面上 场矢鬣静透雾条僻藏必矮予以考虑 这里我们裁可良嚣窭竣上麓分嬲臻及离鼗场 矢量的优点 如图3 7 所示 在网格的交界面上 电场强度矢量的切向分量和磁场 强度的法向分量囱动连续 这样边界条件将不需要专门考虑 这撵我黧藏宠垒处理了方襟 3 1 2 方程 3 i 3 与方程 3 一1 2 饕嚣类叛 只 不过e 和b 互换落了 既然b 的分量在磁网格中的地位与e 的分量在嘏网格中的 地位完全相同 擞然可采用与处理方程 3 1 2 类似的方法在磁网格中对方程 3 1 3 避彳予凑数讫 难一不隧豹是这羹是磁场强度矢基珏和电位移矢量d 如图3 8 绣示 因弼对方程 3 一弼 作同祥懿离敬处理 按照上面的方法鲡法包惰l 有鞠下静公式 芒 尘 置十 尘 尘 垦一仑十垒 热一 尘 鱼 峨 1 3 鲍 败段 坞段飓 1 4 3 2 1 a az 气 乇 岛 氏 岛 睾 以 兄 玛 毛 2 v o p o a 2 这样方程 3 1 2 和 3 一1 3 就被离散为方程 3 2 0 和 3 2 1 对于方程 3 1 4 秘 3 1 5 我霸发璐在上述赠耪彝场量处璎方式下 宅嚣j 跫塞魂潢是熬 这逛霹 蔓三堂皇尘垂垡丝熊近直鎏垦垡丝魁鎏 竣掰来检验诗舅绪票豹正确浚 e 2 j 弋 莒 点l 1 7 b i b 4 p d 8 s 3 热 b 4 l晶 17 7 麒 毒鲳魏 曩 岛琏恐 图3 7 只有e 和b 的连续分量存在于网格边界图3 8 在网格0 求解m a x w e l l 第二方程 凌在对攀令翊穆瓣织已经获褥 我翻霹露任 罨方式皋对霜捂遴行壤号 穆爨 有的场分量装配成一多维矢藏 得到 b b x l b x 2 曰 也i 廖 3 2 2 e 互t 互 墨 蜀 3 2 3 j l 十 u 1 一 3 2 4 麦毙期韦方程现在可表示为瓶阵形式 r e 一b 3 2 5 肺 皿e 十d p e j 3 2 6 式申赏秘是是臻筑矩蓐 2 爨对煮矩瘁 英澍惫元是式 3 2 1 中形式驰贪电翥数 识建式 3 2 1 申形式的平均电寻率 上面我们对有限积分理涂作了较为详细的介绍 以f i t 为理论基础 德国c s t 公弼开发了专门爝予电磁场援掇的软 串包一微波工佟塞 本论文豹螺旋超载天线 运阁了基于有隈狡分理论静仿粪软件 e 辩 微波工终室 作了详纲的研究 3 4 遗传算法 传统的援索寻优方法有解析法 穷举法 随机搜索法等 和这蹙方法相比 遗传算法 2 1 具有简单 通用 鲁棒性强 适用于并行分布处理 应用范围广 等优点 电子科技大学硕士举位论文 3 4 遗传算法基磷 比起传统的搜索方法 遗传算法采用了许多独特的方法和技术 归纳起来有 冀 f 曩个方嚣 1 遗簧算法熬筮理对象不麓参鼗本隽 瑟是藩参数集遴行了编玛 的个体 此编码操作 使得遗传算法可直撩对结构对象谶行操作 2 许多传统搜 索方法都是单点搜索算法 即通过一系列变动规则 问题的解从搜索空间的当前 解 点 移动到另一解 点 这瓣点对点的搜索方法 对于多峰分布的羧索空阈鬻 常会陷于局部酌菜个蕈峰的俊瓣 相反 遗传算法是采弼褥爵处瑾群体中多个个 体的方法 即同时对搜索空间的多个解进行评估 更形象地说 遗传算法是并行 地爬多个峰 这一特点使遗传算法具有较好的全局搜索性能 减少了陷于局部优 簿秘溅疆 3 在拣准兹逮传冀法中 基本上不鼷攘索空溺鹣寨识或其它耱韵痿意 而仅用适应度函数来评估个体 并在此基础上进行操作 遗传算法的这 特点使 它的应用范围大大扩展 4 遗传算法不是采用确定性规则 而是采用概率的变迁 规则采引导其搜繁过程朝着搜索空闻的更铙纯的解区移动 因此 虽然看起来它 是一萃申盲匿的攘索方法 僵实际上有确定静搜索方向 遗传算法是按 生成十检测 z e n e r a t e a n d t e s t 迭代过程进行搜索的算法 它的基本处理流稷如图3 3 所示 冈 强3 9 遗砖算法熬理滚捏 2 4 第三章电小天线的分析方法及优化鳟法 篱言之 遗褥算法 c a 怒搂弪迭承文翁舀然选择攀 l 帮自然器翁生物送纯遥 稷的一种计算模型 它采用简单的编码技术来表示各种复杂的结构 并通过对一 组编码表示进行简单的遗传操作和优胜劣汰的自然选择朱指导学习和确定搜索的 方固 遗传算法豹攥 警对象怒 赘二进铡警 嚣为染色镑 令棼 帮跨藜 这受 每一个染色体都对应问题的 个解 从裙始种群出发 袋用基于适威值比例的选 择策略在当前种群中选择个体 使用杂交和变异来产生下一代种群 如此模仿生 命的进化 一代代演化下去 怠到满足期黧麴终止条件为止 利用遗传簿法援索寻忧 遗常包括戳下过程 1 编码 e n c o d e 遗传算法首先要对实际问题进行编码 用字符串表达问题 这釉字符串摆当予遗传学中的染色体 在g a 中 每个交攫用一个二滋制代码来表 示 称之为鏊围 不同静基戮缀成一个染穗锌 每一代联产生静字褥串静总和稼 为群体 为了计算机实现的方便 通常字符选择o 和1 字符串长度固定 2 计算适成度 f i t n e s s 衡量字符审 染色体 好坏的指标是遗成度 它也 藏怒遗传算法瓣霞标交数 镶 染色落赋予一个麓够爱浃染色体往劣程度静蓬 称为适应度 f i t n e s s 适应度值大表示染色体的质量离 3 复制 r e p r o d u c t i o n 为了将已有的群体变为下 代群体 遗传算法仿效 遴纯论中熬 纛然选择 逶考生存 豹缀潮 获 瑟藜侮中选择往良令钵进行复裁 选择的依据是个体适应度的太小 适应度大的个体接受复制 使之繁赡 适应度 小的个体则予以删除 使之死亡 4 交臻 c r o s s o v e r 警麓始染色嚣黪在激中被截建后 终采鬟一系强豹选 择策略来确定哪些染色体将谶入到进化过耩 这些染色体的个体通过给定的策略 进行配对杂交 产生两个新的子代个体 他们不同于父本 彼此也不相同 但每 个子代个体中镪含了父 弋个体的遗传物质 由配对杂交过程所产生魏荣色体群构 藏了染色体靛瑟 饩 这释过程的不甑重笺 直至l 满足指定的适应爱蠛后代数 g a 的主要思想魁 随着后代数的增加 由染色体群所代袋的群种应该变得更为强 健 对于天线也就是越趋于设计值 因为那些包含弱基闼的不良染色体已在进化 过程中被海汰 5 突变 m u t a t i o n 遗传算法中模仿生物学中基因突变的过程 将个体字符 串中某位符号谶行逆变 即由0 变为l 或由l 变为0 得到新个体 遗传算法中 个 体建否进行突变以及在瓣令郝位突变 聱l l l 事先绘定戆糕辜凌定 逶攀突变壤搴 电予科技大学硕士学位论文 矮小 约惫0 0 0 8 上述 2 一 5 反复藏行 蠢至荦荨密瀵爨懿最蕊解 交舅静终霞 是挖掘群体中个体的多样性 克服有可能陷于局部优解的弊端 以上即为遗传算法搜索寻优的全过程 可以看出遗传算法是参考生物中有关 逮佬与遗传懿过簇 巅翅复利 交换 突交等撩终 不鼗疆繇魏霉亍 邂渗逗运全 局最优解 3 4 2 遗传算法在天线匹配网络设计巾的应用 现代战术保密通信系统中跳扩频技术的快速发展 对通信系统的关键部件 天线的宽带化小型化提出了越浓越高的要求 然而 单纯依靠调整天线的结构 往 往难以同时满足上述设计要求 使用天线宽带匹配网络 则是实现或进 步改善天 线宽频繁特往韵 释有效技术 然瑟 枣予天线隧抗一觳澄馥解辑表示 在设计天 线甄配网络时传统解析的设计方法不再适用 近年来 遗佟算法被广泛应用于天线 匹配网络的设计之中 z i o 在v h f u h f 频段 天绞懿黩甏瓣络可懿豢接透过集总躲逮容电感簿元佟来实 现 不但便于加工制作 性能也很稳定 导入已知天线输入阻抗到遗传算法的匹 配网络设计程序中 用遗传算法优化出网络结构以及各个元件的参数值 把网络 端鞠豹疆藐调变剔揍定豹匹配菠圈内 实现天线豹电指栋 对于一个天线系统 它的很多指标和霈求是相互矛 藩 相互冲突的 宽频带特性往往是通过牺牲增益 来获得的 因此藏带宽和增益之间是一对矛盾 尤其是当频率较低 天线电长度 较小时 这种矛臌表现的更为突出 在天线的匹配网络设计中 必要的时候要求 雩 入邀隧 衰减舔等有耗器 孛 这蒇是戳镄链系统增慈巍麓鬟懿 嚣在实际逶绩 中 往往要求天线既有好的宽带性又有可以接受的增益 因此 必须在带宽和增 益之间作一个适溺的选择 随蒲c a d 技