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基于改进遗传算法的小型化宽带微带天线设计

孙思扬

  无线通信产业的迅猛发展推动了整个天线设计领域的不断前进。近年来,随着对各种数据业务需求量的急剧增加,以及高速集成电路技术小型化的发展,电子设备也向着小型化、宽带化的方向不断迈进。对于小型化宽频带天线的需求也越来越强烈。此外,超宽带通信(UWB)具有系统容量大,保密性好,传输速率高,抗多径干扰能力强等诸多优点,引起了广泛关注。UWB系统对天线设计提出了更高的要求和挑战。 然而,随着天线结构的小型化及其功能的多样化,其结构越来越复杂,这给天线设计带来了不小的难题。传统的天线设计方法存在着效率低下,设计周期长,依赖天线设计者的理论和经验,难以做到最优化设计等缺陷,通常只对简单天线结构或理想化结构有效。面对当今天线设计的新要求往往无能为力。这使得基于智能优化算法以及天线数值计算的天线自动优化设计成为天线研究领域的新的热点。 本论文主要针对遗传算法优化在天线设计中的应用及宽带天线的分析与设计进行了探索与研究,主要研究工作和创新成果如下: 1.对基本遗传算法进行改进,以改善遗传算法的收敛性能。在此基础之上,结合改进遗传算法和HFSS数值计算程序,提出了一种天线自动优化设计方案并编译实现。该系统具有对多类天线进行自动优化设计的能力。 2.小型化宽带微带贴片天线分析与设计。利用上一章提出的天线自动优化设计系统对天线的结构参数进行全局综合优化,得到了天线的最终形状。首先利用遗传算法优化矩形微带天线贴片形状,经优化后的天线的阻抗带宽由5%扩展为17.7%,增加了3倍多;之后提出了一种新型宽带微带天线,在矩形贴片内引入U形缝隙以展宽带宽,同时采用电容耦合馈电补偿馈电探针引入的电感。结果表明,该天线在3GHz至5GHz频段内其回波损耗小于-10dB,且具有近似全向的辐射特性。 3.提出了两款小型化超宽带印刷单极天线。利用上一章提出的天线自动优化设计系统对天线的结构参数进行全局综合优化,得到天线的最终尺寸。一款为阶梯型超宽带印刷单极天线,测试结果表明该天线的阻抗带宽覆盖了2.7GHz~11.5GHz频段,并且具有近似全向的辐射特性;另一款为圆形超宽带类自互补印刷天线,测试结果表明该天线在3GHz至大于12GHz的频段内回波损耗小于-1OdB。 4.为了避免UWB系统对无线局域网(WLAN)系统的干扰,通过在辐射贴片上加载互补式开口谐振环缝隙,设计了一款具有带阻特性的超宽带印刷单极天线。利用第四章提出的天线自动优化设计系统对互补式开口谐振环的结构参数进行全局综合优化,得到了其最终尺寸。基于天线表面电流分布状况详细地分析了各个结构参数对天线阻带特性的影响。实测结果表明所设计天线的阻抗带宽为2GHz至超过12GHz,在5.10GHz至5.90GHz的频段上实现了带阻特性,阻断了5.15GHz~5.850GHz的WLAN频段。……   
[关键词]:遗传算法;微带天线;单极天线;小型化;宽带;超宽带;频带阻断
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:北京邮电大学2011年