低剖面定向圆极化天线的优化设计

摘要

天线是卫星通信、广播、导航雷达、遥感遥测等各种民用和军用无线电系统中不可或缺的重要组成部分。其中，圆极化天线由于能有效的对抗极化衰落，从而提升复杂通信环境下的信道稳定性和信道利用率，因而，其应用范围越来越广泛。随着越来越高的无线传输速率需求，人们对于圆极化天线性能的要求也在逐步提高。例如宽频带、高增益、低轴比等，同时天线的设计还需综合考虑方向图稳定性，天线结构的剖面高度等多方面的因素，这些都给新型的圆极化天线设计带来了很大的挑战。另一方面，传统的天线设计性能在一定程度上仍主要取决于设计者的相关知识背景与工程经验，但随着天线结构的复杂化，依靠经验的手工调试方法显得繁琐且效率低下。如何结合先进的计算机处理能力从而能快速而又准确地获得所需的天线结构参数是一个极具研究意义的课题。
　　本文主要围绕宽带的低剖面圆极化天线的优化设计方法及建模展开分析和研究。论文首先介绍了课题的研究背景和意义，对目前的圆极化天线、低剖面天线以及天线的优化方法的研究做了简单的分析总结；介绍了圆极化天线的基本理论，圆极化天线的重要参数指标，及常见的圆极化微带天线和等角螺旋天线。同时还介绍了本文优化天线所用到的PSO算法的基本知识以及应用该算法优化天线的基本方法。
　　其次，在对基本理论分析的基础上设计了两种优化模型，据此而设计的微带贴片天线验证了模型的有效性。第一种优化模型是将PSO算法程序通过宏语言导入商业仿真软件CST Microwave Studio(CST MWS)中，并通过宏语言编写目标函数，实现天线的自动化设计。天线单元结构包括辐射贴片和寄生贴片，其具体模型构建是程序中通过相应的算法语言实现控制的，因而有利于计算机的独立建模。为了进一步降低算法的局限性并拓展该优化方法的应用范围，在第一种优化模型基础上进行了改进，得到具有更好的通用性的第二种优化模型，除了在寄生贴片采用离散化建模外，更进一步改进了辐射贴片的建模方法，从而增加了天线优化的自由度。另外，天线整体采用了CST自带的PSO优化算法，有利于提高优化的效率。
　　然后，应用所分析设计的优化模型实际设计了两种不同馈电方式的宽带圆极化定向等角螺旋天线，包括渐开同轴线馈电及微带线转平行双线巴伦馈电。天线的结构采用传统的带背腔等角螺旋天线，在螺旋天线与背腔之间插入两层由不同小块贴片组成的寄生层。其中，两层寄生层通过旋转对称处理，加强了圆极化的场分布。利用已分析的优化模型及优化方法对所设计的螺旋天线的结构参数及寄生的形状参数等进行建模及优化，得到了两款基于不同馈电方式的定向等角螺旋天线，仿真结果表明所优化的天线具有宽频带的圆极化特性。
　　最后，实际加工和测试了这两款天线，实验结果与仿真结果基本吻合，验证了优化方法与优化模型的有效性，同时，所设计的天线具有较低的剖面，适用于多种无线通信场合。

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第一章 绪论

1.1研究背景与意义

1.2研究进展

1.3本文的主要工作及安排

第二章 基本理论

2.1圆极化理论

2.2圆极化天线的主要电参数

2.3圆极化天线及平面螺旋天线

2.4 天线优化方法

2.5本章小结

第三章 圆极化天线优化模型

3.1第一种优化模型的建立与仿真

3.2第二种优化模型的建立与仿真

3.3本章小结

第四章 低剖面宽带圆极化等角螺旋天线的设计

4.1宽带巴伦

4.2基于渐开同轴线馈电的定向宽带圆极化螺旋天线设计

4.3基于平行双线馈电的定向宽带圆极化螺旋天线设计

4.4本章小结

第五章 总结与展望

5.1全文总结

5.2研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的学术研究成果