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可重构天线研究

魏文博  
【摘要】: 可重构天线是为了克服现代无线综合信息系统进一步向大容量、多功能、超宽带方向发展所面临的“瓶颈”而提出来的。目前,这一研究领域在国际上仍然处于起步阶段,面临诸多难题。因此,可重构天线的研究具有很强的前沿性和探索性。本论文对频率可重构天线、极化可重构天线和基于遗传算法的可重构天线的优化设计进行了比较深入的研究,提出了多种可重构天线设计方案,揭示了可重构天线良好的应用前景。作者的主要工作和成果可概括为: 1.在单极子频率可重构天线设计中,提出将天线辐射体的一部分作为向开关器件提供直流偏置的引线。该方法很大程度上避免了直流引线对天线阻抗特性和辐射方向图的不利影响,解决了单极子频率可重构天线中引线设计的难题。 2.设计制作了一种宽频带印刷对称振子频率可重构天线。该天线通过控制PIN开关二极管的状态来改变天线的谐振长度,从而获得频率重构特性,频率可调比高达101.3%。该设计采用宽带指数型巴伦来解决宽频带对称振子天线的平衡馈电转换问题。 3.提出了一种小型化频率可调的微带缝隙天线。谐振缝隙采用了平面螺旋结构,使得天线结构更加紧凑,天线尺寸较传统直缝隙天线减小了40%。通过在螺旋非缝隙上加载PIN开关二极管,天线获得了良好的频率可调特性。由于开关直接加载于辐射很弱的螺旋非辐射缝隙,天线电调特性对开关性能的敏感程度显著降低,使频率重构特性更容易实现。 4.提出了一种寄生切角极化可重构微带贴片天线。该天线方形辐射贴片的4个寄生切角分别通过PIN开关接地。通过控制4个PIN开关,天线能够以左旋圆极化、右旋圆极化和线极化几种不同的极化方式工作。由于天线自身的结构特点,该设计避免了在极化可重构天线辐射口径中直接使用隔直电容。 5.提出了一种新颖的左右旋圆极化开关可切换的方形微带贴片天线。天线由FET单刀双掷射频开关、3dB电桥和方形微带贴片组成。为产生圆极化辐射,方形微带贴片采用正交馈电,并由3dB电桥提供相位相差90°的输入。开关两个输出端与3dB电桥的输入端和隔离端连接。控制开关导通方向,能够改变天线左旋和右旋圆极化工作方式。实验结果验证了该天线能够实现良好的圆极化切换特性。 6.提出了一种新的极化可重构微带贴片天线。该天线采用双馈点激励两个方向正交线极化工作模式。通过改变馈电网络中4个单刀双掷开关的导通状态,能够在两个馈电点处形成0°、180°和±90°的相位差,从而使天线的极化工作方式能够在左、右旋圆极化以及线极化之间的切换。而且,这几种极化方式下天线的工作频率保持了很好的一致性。 7.采用遗传算法对可重构天线的频率重构能力进行了初步的研究和探讨。在遗传算法优化设计中,为了加快天线分析速度,提出将可重构天线开关作为加载元件来处理,利用快速矩量法(MoM)加快天线的分析速度。文中将该快速分析算法与遗传算法相结合,对一平面型可重构线天线的重构能力进行了探索。结果表明,该天线能够在40MHz-400MHz频带范围内实现良好的频率重构特性。而且由于使用了快速分析算法,可重构天线的优化设计速度大大提高。 8.提出了一种方向图可重构微带贴片天线设计方案,并将遗传算法(GA)与时域有限差分法(FDTD)结合对该天线方向图重构能力进行了探索。由优化设计的结果知道,该天线θ和?两个极化增益方向图在x-z平面(50°,0°)至(130°,0°)的范围和x-y平面(90°,-25°)至(90°,25°)的范围内具有良好的方向图可重构能力和较高的极化增益。 9.提出了一种频率和方向图可同时重构的笼形天线设计方案,并采用遗传算法(GA)和前面提到的加速矩量法探索天线的频率和方向图可重构能力。设计结果表明,该笼形天线驻波小于2.0的频率重构范围为60MHz-1170MHz,驻波小于1.1的频率重构范围为100MHz-1110MHz。在100MHz-1100MHz频带范围内,通过优化调整开关阵的状态,天线辐射方向图能够实现全空间扫描。


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