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基于特征模理论的可重构天线及滤波天线综合研究

李可  
【摘要】:在天线设计领域,特征模理论可以在天线不加馈电的时候对其辐射结构进行模式分析,进一步指导天线结构的设计,然后依照模式激励的方法对辐射结构进行馈电,实现良好的辐射特性。此种方法可以从物理层面有的放矢地指导天线设计,因此获得了广泛的关注。本论文基于特征模理论对可重构天线的设计以及滤波天线综合的方法进行一系列研究。本文基于特征模理论提出了一款应用于体域网(BAN)通信的方向图可重构天线,天线的辐射方向图可以在水平全向辐射和(?)=0°,(?)=0°方向辐射之间进行切换,分别适用于BAN中on-body和off-body通信链路。首先为了小型化需求,本文采用一个3×2的矩形贴片阵列作为主要辐射结构,此结构在工作频段内具有(?)=0°,(?)=0°方向辐射的谐振模式,满足off-body通信链路需求,并且此辐射结构还可以有效地降低off-body模式的后瓣。进一步提出通过在辐射贴片和地板之间引入四个金属柱的方式来获得具有水平全向辐射特性的模式,满足on-body通信链路。最后利用模式激励的方式对上述两个模式进行选择性馈电,实现方向图可重构的特性。天线尺寸为0.44λ_0×0.44λ_0×0.05λ_0,对天线加工测试,测试结果与仿真结果一致。本文所提出的可穿戴天线不仅结构紧凑、方向图稳定,而且同时满足BAN中on-body和off-body两种通信链路的需求。本文基于模式正交性和对称激励的方式提出了一种方向图可重构天线的设计方法,并应用到一款2MIMO天线系统的设计当中。首先对一个矩形金属贴片进行模式分析,并选择三个所需模式:模式1、6和8。然后基于三个模式的模式电流对称分布的特性在矩形金属贴片四周引入四个容性耦合激励单元(CCE)对模式进行对称激励,其中CCE1和CCE2为一组,选择性激励模式1和模式8;CCE3和CCE4为另外一组,选择性激励模式1和模式6。选择性激励的方式是通过给每组CCEs单元引入同相和反相的激励加以实现。最后利用馈电网络将每组CCEs单元作为天线的一个端口,实现方向图可重构的2MIMO天线系统。与传统设计方法相比,本文仅利用一个辐射结构即实现了2MIMO天线系统的设计,天线结构简单,而且利用模式固有的正交特性实现了在不加任何去耦措施的情况下的良好隔离效果,利用对称激励的方式实现每个天线端口的方向图可重构特性,最后天线系统获得三个可重构状态,适用于动态的通信系统需求。本文基于特征模式理论设计了一款极化可重构天线,天线的极化特性可以在线极化、左旋圆极化和右旋圆极化之间切换。首先探讨模式重要性以及模式角对天线极化的影响,并基于此提出一个具有I形槽的方形贴片作为主要辐射结构,辐射结构具有两个在2.4GHz模式重要性相等,模式角相差90°的正交线极化模式。然后设计一个简单的馈电网络用来对这两个模式的不同组合进行激励,进而实现不同的极化特性。最后基于阵列的应用,将极化可重构天线单元组成1×4的天线阵列,并进行加工测试。由于从辐射贴片固有模式特性进行设计,因此所提出的极化可重构天线在保证性能的同时具有结构简单,尺寸小的优势,更适用于天线阵列的应用。本文基于特征模理论提出了一种滤波天线综合优化的方法。在优化过程中,将天线不加馈电时辐射体的模式参量作为优化的目标,针对此目标对天线的形状进行优化,天线形状确定后再通过模式激励方法对其进行馈电。首先利用多目标优化算法NSGA-II发展了一种基于特征模理论的天线形状综合方法,并提出滤波天线性能与模式参量之间的对应关系。然后根据天线形状综合方法提出了利用模式电场以及模式电流作为目标函数产生滤波天线辐射零点的方法。最后利用上述两种方式进行滤波天线的综合优化。经过优化后获得的天线在带内具有较好的辐射特性,在带外低频和高频边沿处均具有辐射零点,实现良好的滤波特性,从而验证了所提出的滤波天线综合优化方法的准确性和高效性。


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