无线通信天线设计及四维阵列天线优化综合

摘要

随着科技的不断进步，现代无线通信系统已经深入人们生活的方方面面。作为通信系统中不可缺少的主要组成部分，天线正面临越来越多的挑战，如天线的小型化、宽带化以及特殊极化特性等。近年来，互补型天线和电磁偶极子天线因其结构简单、工作频带较宽、易于实现圆极化等优点得到了深入研究和广泛应用。同时，为了实现更低的方向图副瓣、更高的天线增益，阵列天线特别是相控阵天线成为学者们近期研究的热点。但相控阵对幅度和相位控制器件要求较高，如误差容忍度较低，加工精度要求较高等，限制了其应用范围。四维阵列天线通过在传统阵列天线中引入时间维度，对阵列发射和接收的信号进行时间调制，从而降低了相控阵天线对于幅度和相位控制器件的要求。本文主要对互补型天线设计、宽带圆极化电磁偶极子天线设计和四维阵列天线优化设计进行了深入的研究。论文的主要研究成果可以归纳为:
　　1.互补型宽带及双频天线设计。首先，针对传统八木天线带宽较窄和体积较大的问题，基于细偶极子天线和环形天线组成的互补结构，提出了一种新型引向器阵列。与传统电偶极子引向器相比，该引向器阵列体积较小且工作频带更宽。将引向器阵列设置在环槽天线辐射前方，在较宽的频带内该引向器阵列也能有效地提高天线的定向性。其次，基于自互补的印刷结构，通过在天线地板刻蚀槽线改变表面电流，设计了一种小型化双频圆极化天线。实验结果表明两种互补型天线性能良好，可以满足现代通信中的多种需求，如LTE、DCS、WLAN等。
　　2.宽带圆极化电磁偶极子天线设计。由于圆极化天线具有衰减小、抗干扰能力强、传播穿透能力强等特性，因而其在现代通信系统中被广泛使用。本文基于宽带电磁偶极子天线设计了两种宽带圆极化天线。首先，设计了一种基于缺陷地板技术的宽带移相器，并将该移相器与两个正交放置的电磁偶极子天线相结合，组成了宽带圆极化电磁偶极子天线。然后，为了降低天线的设计复杂度、节省天线安装空间，利用耦合馈电和寄生贴片技术，设计了一种单馈点宽带圆极化电磁偶极子天线。实验结果表明两种天线与传统天线相比，在轴比带宽和天线增益方面性能更佳。
　　3.基于新型差分进化算法的四维阵列天线优化设计。首先，提出了一种根据种群的多样性自适应选择算法的控制参数CR和变异策略的新型单目标差分进化算法，并将简化的三点二次插值算子融入其中。通过标准函数测试验证，该算法在收敛速度和求解精度方面均优于传统算法。其次，采用该算法分别优化了四维直线阵列和四维同心圆环阵列。数值实验表明，优化后的四维阵列中心频带副瓣电平和第一边带最大电平更低，并且该算法可以更快更好地优化四维阵列天线的性能。
　　4.基于多目标差分进化算法的四维阵列天线优化设计。鉴于单目标优化算法的局限性，本文采用多目标差分进化算法分别优化了双目标和三目标的四维直线阵列以及双目标的四维同心圆环阵列，并将多目标优化结果与单目标结果进行了比较。通过深入分析多目标算法优化的数值结果，得出了满足工程设计指标要求的高质量最优解，有效地指导了四维阵列天线的优化设计。

目录

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摘要

插图索引

表格索引

符号对照表

缩略语对照表

第一章 绪论

1．1 论文研究背景及意义

1．2 国内外研究历史和现状

1．2．1 互补型天线研究简介

1．2．2 宽带及多频带圆极化天线研究简介

1．2．3 四维阵列天线简介

1．2．4 差分进化算法研究简介

1．3 论文内容安排及主要工作

1．3．1 论文主要内容安排

1．3．2 论文主要工作

第二章 基础理论

2．1 天线性能参数简介

2．2 几种天线的辐射机理

2．2．1 短电偶极子天线辐射机理

2．2．2 电小环形天线辐射机理

2．2．3 电磁偶极子天线工作原理

2．3 阵列天线基本理论概述

2．4 四维阵列天线简介

2．5 差分进化算法简介

第三章 基于互补结构的宽带及双频天线设计

3．1 引言

3．2 互补型引向器阵列设计

3．2．1 引向器工作原理介绍

3．2．2 引向器阵列结构

3．2．3 引向器阵列参数分析

3．2．4 天线测试结果与讨论

3．3 自互补型双频圆极化印刷天线设计

3．3．1 自互补型双频线极化天线

3．3．2 自互补型双频圆极化天线结构

3．3．3 自互补型双频圆极化天线参数分析

3．3．4 天线测试结果与讨论

3．4 本章小结

第四章 基于电磁偶极子天线的宽带圆极化天线设计

4．1 引言

4．2 多馈点宽带圆极化电磁偶极子天线

4．2．1 新型馈电网络

4．2．2 多馈点宽带圆极化电磁偶极子天线结构

4．2．3 多馈点宽带圆极化电磁偶极子天线参数分析

4．2．4 天线测试结果与讨论

4．3 新型单馈点宽带圆极化天线

4．3．1 新型单馈点宽带圆极化天线模型

4．3．2 新型单馈点宽带圆极化天线参数分析

4．3．3 天线测试结果与讨论

4．4 本章小结

第五章 基于新型差分进化算法的四维阵列天线优化设计

5．1 引言

5．2 标准DE算法分析

5．2．1 交叉概率因子CR分析

5．2．2 变异策略分析

5．3 新型自适应DE算法及数值实验结果

5．3．1 新型自适应DE算法介绍

5．3．2 数值实验结果

5．4 四维阵列优化设计

5．4．1 四维直线阵列天线优化设计

5．4．2 四维同心圆环阵列优化设计

5．5 本章小结

第六章 基于多目标差分进化算法的四维阵列天线优化设计

6．1 引言

6．2 多目标差分进化算法

6．2．1 多目标问题数学模型

6．2．2 广义多目标差分进化算法

6．3 基于GDE3多目标算法的四维直线阵列优化设计

6．3．1 四维直线阵列双目标优化模型

6．3．2 四维直线阵列三目标优化模型

6．4 基于GDE3多目标算法的四维同心圆环阵列天线设计

6．5 本章小结

第七章 总结和展望

7．1 研究结论

7．2 需要进一步研究的问题

参考文献

致谢

作者简介