基于矩量法的平板单极子天线拓扑优化设计

摘要

当今社会是一个海量数据交换的时代，无线通信技术以及相关产业发展迅猛。工程实际对数据交换设备的性能提出了愈来愈苛刻且严格的需求。天线作为无线数据交换设备的主要功能结构，是决定数据交换设备优劣的重要因素。因此天线结构的优化设计成为无线通信技术发展道路上的难点和重点。传统的天线优化设计是基于经验构型的变型、改变参数进行重复仿真分析、尺寸优化等途径，不仅理论基础不足，而且设计空间狭小，难以获得超出经验设计的具有更优性能的创新型构型。因此现代天线设计需要更加系统的、高层次的结构优化方法。拓扑优化是直接对结构拓扑进行优化的设计方法，探索结构内部的布局与连接形式，能够产生新的结构形式，是结构设计过程中最有意义的一个阶段。采用拓扑优化技术指导天线结构优化设计是天线领域日益增长的设计需求所决定的必然趋势。此外，随着精细数值分析方法的发展，计算电磁学数值方法的崛起也为天线结构优化提供了有限元分析基础。针对上述情况，本文采用了基于矩量法的单极子天线分析方法，研究了拓扑优化技术用于天线结构优化设计的方法，提出了单极子天线拓扑优化模型并对拓扑优化中的核心技术进行研究，实现了基于拓扑优化的天线结构设计。
　　本文的研究内容如下:
　　(1)RWG矩量法单极子天线数值模拟分析方法。本文对矩量法的理论推导以及矩量法在天线数值仿真中的应用特点进行了简单说明，重点研究了引入Rao-Wilton-Glisson基函数求解天线表面电流密度进而分析天线性能的方法。基于RWG边元法，给出了天线数值仿真问题中阻抗矩阵、状态方程等的求解方法，建立了单极子天线的边馈模型，并给出了天线各项性能参数的表达式。说明了分析方法的程序实现流程。数值算例验证了在天线数值模拟中矩量法具有良好的适用性。通过与有限元软件Ansoft HFSS仿真结果的对比分析，说明了矩量法的效率优势。
　　(2)建立了以金属材料分布参数为设计变量、考虑天线效率最大化的单极子天线结构设计拓扑优化模型和求解方法。采用类似变密度法的拓扑优化方法，对单极子天线结构进行离散并得到了金属材料布局的描述参数。考虑正切函数的特点，提出了正切函数形式的材料插值函数，说明了插值函数所具有的物理意义。基于天线能量平衡系统，导出了最大化天线效率的目标函数表达式并给出了目标函数关于设计变量的灵敏度表达式。数值算例验证了本文建立的优化模型的正确性，能够有效地提高天线的效率。针对优化算例拓扑结果中的灰度单元，提出了基于阈值的后处理方法并进一步讨论了阈值法的局限性，提出了改进的动态惩罚格式，通过算例说明了动态惩罚格式能够有效地从优化模型层面消除优化迭代过程中出现的灰度单元，获得黑白拓扑结果。
　　(3)考虑多频段工作性能的单极子天线结构优化设计。面对通信系统高品质服务和多样性服务的需求，通信频段不断向宽频段、高频段以及多频段发展。覆盖多种功能工作频段天线构型的研究具有非常实际的工程意义。利用本文所提出的以最大化天线效率为优化目标的拓扑优化模型，进行了能够覆盖GPS、DCS、PCs和TD-SCDMA频段的平板型单极子天线拓扑优化设计。优化算例说明了该优化模型能够获得在指定多频段高效工作的天线构型。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 天线结构形式简介

1．1．1 天线结构形式

1．1．2 单极子天线结构形式及设计思想

1．2 天线结构优化方法概述

1．2．1 结构优化方法

1．2．2 计算电磁学数值方法

1．2．3 天线结构优化研究概述

1．3 本文内容安排

2 基于RWG矩量法的单极子天线分析方法

2．1 引言

2．2 基于RWG的矩量法

2．2．1 矩量法的基本理论

2．2．2 基于RWG矩量法

2．2．3 矩量法天线数值仿真的MATLAB实现

2．3 矩量法的适用性验证

2．3．1 直线型单极子天线的性能分析

2．3．2 平板型单极子天线的性能分析

2．3．3 矩量法的计算效率

2．4 小结

3 单极子天线拓扑优化模型

3．1 引言

3．2 设计变量

3．3 目标函数及优化列示

3．4 敏度分析及优化流程

3．4．1 敏度分析

3．4．2 优化流程

3．5 单一频点单极子天线拓扑优化设计

3．5．1 方形平板单极子天线拓扑优化设计

3．5．2 灰度单元阈值处理方法

3．5．3 动态增加的惩罚格式

3．6 小结

4．覆盖多工作频段的单极子天线拓扑优化设计

4．1 引言

4．2 算例

4．3 小结

总结与结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢