發(fā)布時間：2020-11-20 19:11

　　 特征模理論(CMT)具有清晰的物理概念,能夠描述各種形狀的天線及散射體的諧振特性,從本質上對天線的輻射機理進行合理地解釋,便于理解和指導工程設計,因此自其提出以來便在天線設計領域備受關注。特征模式是存在于物體的一種固有屬性,而與任何外在激勵無關,其特征模式電流在源區(qū)正交,特征遠場在無窮遠處的球面上正交,根據其優(yōu)勢特性,特征模理論可被廣泛應用于分析與設計各種各樣的天線,本文基于特征模理論分別具體就抗金屬RFID天線、MIMO天線、超表面天線及電抗控制陣列(RCAA)這四類天線進行了一系列相關研究。在基于特征模理論的抗金屬RFID天線分析與設計方面,本文首先利用特征模理論提出了一種與金屬物體一體化的抗金屬RFID標簽天線設計方法。根據對金屬物體進行特征模式分析(CMA),來確定待激勵的特征模式,進而確定相應的激勵位置和設計環(huán)形耦合激勵結構。具體設計了一款體積很小的陶瓷環(huán)形激勵結構作為電感性耦合激勵結構(ICE),放置在金屬物體的特定位置上,能有效激勵起金屬物體的某些特征模式來輻射,并同時完成與芯片的共軛阻抗匹配。針對車牌RFID標簽天線的上傾波束方向圖需求,利用特征模式電流與電場的正交性,采用一種用特定模式的特征遠場來直接合成期望方向圖的方法。通過選取合適的待激勵特征模式和激勵位置,合理設計饋電激勵結構,激勵起所期待特征模式的同時抑制某些特定的干擾特征模式的產生,最終將金屬車牌本身設計成滿足上傾波束方向圖需求的車牌RFID標簽天線。在基于特征模理論的MIMO天線分析與設計方面,本文首先從特征模理論的角度討論了MIMO天線的隔離度和相關性系數(ECC)這兩個重要參數,與特征模式建立了相關聯(lián)系,并進一步將其應用到含有?型結構的緊湊型雙端口5GHz MIMO天線的多模式分析中,從特征模式的角度解釋了該天線所具有的低互耦、低相關性系數的特性。基于對矩形疊層介質塊的特征模式分析,分別采用特征模式的兩種不同激勵方式來設計饋電結構,最終設計出一款高隔離度、低相關性系數的雙端口寬帶介質MIMO天線。在基于特征模理論的超表面天線分析與設計方面,本文首先將特征模式分析方法應用于使用同軸探針直接饋電的雙層結構的貼片型超表面天線,很好地解釋說明了其寬帶輻射原理。針對雙層結構形式的超表面天線剖面較高,加工不太方便的問題,利用特征模理論,提出了使用同軸探針直接激勵的單層結構形式的超表面天線。根據特征模分析提供的相關模式信息,選取合適的探針激勵位置,并采用縫隙加載來改善阻抗匹配,最終分別設計了一款單層寬帶低剖面U型縫隙加載的線極化超表面天線和一款單層寬帶低剖面L型縫隙加載的圓極化超表面天線。其結構和加工都更簡單,剖面更低,并加工與測試了相關天線來驗證設計的正確性。在基于特征模理論的電抗控制陣列(RCAA)優(yōu)化設計方面,本文首先針對單一遺傳算法(GA)和粒子群算法(PSO)在進行陣列優(yōu)化時容易陷入早熟收斂的問題,充分結合這兩種算法各自的搜索優(yōu)勢,提出了一種混合GA-PSO算法。經過相關數值算例對比測試,其無論是在測試函數還是在陣列天線優(yōu)化問題中都具有比單一GA或PSO更快的收斂速度和更高的收斂精度。而后利用提出的GA-PSO算法結合端口特征模理論,對微帶型RCAA進行優(yōu)化設計,其中以模式權重系數(MWC)作為優(yōu)化變量,來優(yōu)化微帶RCAA陣列的方向圖,實現(xiàn)了對其方向圖的波束控制,最后將優(yōu)化得到的電抗加載值代入HFSS進行了全波仿真,驗證了設計方法的正確性。
【學位單位】：電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TN820
【部分圖文】：

其運用模式分解的思想，把天線的總的 Q 值用各個特征模式的 Q 值來合成求出。(a) (b)圖1-1 兩種典型的耦合激勵結構[35]。(a) ICE；(b) CCE3）特征模理論在 MIMO 天線設計中的應用[51-63]。通過對地板結構的特征模式分析，確定不同的待激勵特征模式及激勵位置和饋電結構，利用特征模式的正交特性，從而達到降低天線端口隔離度及低方向圖相關性的設計目的。文獻[51]利用特征模式分析，通過分別激勵起手機底盤的基本模式和底盤長邊上的條形金屬帶模式，設計了一款覆蓋多個頻段的高隔離度的 MIMO 天線。利用手機底盤的多個ICE 和 CCE 結構激勵起不同特征模式或者同種模式的正交組合，設計出一款 4 端口的緊湊性 MIMO 天線[56]。文獻[57]提出一種在雙側對稱結構設計多端口 MIMO天線的方法，以仿生昆蟲結構為例，如圖 1-2 所示，通過引入 H 型縫隙作為 ICE結構

的頻率切換。(a) (b)圖1-3 頻率可重構的 PIFA 天線[66]。(a) 結構圖；(b)反射系數圖5）特征模理論在天線形狀綜合中的應用[67-69]。特征模理論能提供天線結構固有的輻射屬性，而不依賴饋電結構，因此可在饋電之前將特征模理論與天線形狀綜合結合在一起設計，從而簡化天線形狀的綜合過程。文獻[67]結合特征模理論和遺傳算法對天線形狀進行優(yōu)化，在單模式輻射條件下將以結構的特征值和 Q 值為目標函數轉化為對特定矩陣跡的優(yōu)化，從而簡化計算。如圖 1-4 所示，在對原始對稱結構網格進行優(yōu)化篩選去除后，能保證天線工作在單模式諧振且 Q 值最小，并同時根據模式電流?

天線形狀優(yōu)化
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本文編號：2891863