新型宽带毫米波背腔缝隙天线研究

论文摘要

当前工作于毫米波频段的射频系统发展非常迅速,应用范围日益扩展。同W其它毫米波天线,如微带天线、波导缝隙天线、反射面天线相比,背腔缝隙天线(CBSA)具有低损耗、宽带、易加工等方面的优点,对宽带毫米波射频系统而言是理想的天线形式。本文采用时域有限差分方法(FDTD)研究了一种新型宽带毫米波背腔缝隙天线的驻波和辐射特性,并采用FDTD结合遗传算法完成了这种背腔缝隙天线的优化设计,并在此基础上,提出并设计了一种基于基片集成工艺的新型背腔缝隙天线。文章首先回顾了CBSA的发展历史。之后介绍了FDTD的基本原理,重点讨论了FDTD应用于新型CBSA分析与设计的关键问题,包括CBSA建模方法,激励源设置,对称面与吸收边界设置等。提出并实现了一种简单有效的天线回波损耗计算方法,通过与仿真软件的对比证明了该方法的有效性。接下来介绍了遗传算法的基本原理,研究利用遗传算法进行CBSA优化设计的关键技术。以阻抗带宽和天线增益为目标,重点研究了CBSA优化设计中的适应度函数构建以及GA优化的边界条件等问题。本文结合FDTD与遗传算法完成了新型CBSA单元优化设计,并设计了基于新型CBSA单元的阵列天线。该天线同现有文献记载的同类天线相比具有带宽更宽,增益更高的优点。天线实物测试结果与设计值吻合良好,证明了本文优化设计方法的正确性与有效性。文章的最后部分简要介绍了基片集成工艺的相关技术原理,并以新型CBSA优化设计结果为基础,设计了一种基于基片集成波导工艺的新型宽带毫米波CBSA,大大提高了CBSA天线的集成度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 宽带背腔缝隙天线发展简介
• 1.1.1 改善CBSA 性能的方法
• 1.1.2 CBSA 发展新动态
• 1.2 背腔缝隙天线分析方法
• 1.3 论文的主要工作及章节安排
• 第二章 宽带背腔缝隙天线的FDTD 分析
• 2.1 FDTD 基本原理
• 2.1.1 FDTD 方程
• 2.1.2 数值稳定性与数值色散
• 2.1.3 激励源
• 2.1.4 吸收边界
• 2.1.5 近远场外推
• 2.2 FDTD 在CBSA 仿真计算中的应用
• 2.2.1 CBSA 建模方法
• 2.2.2 激励源设置
• 2.2.3 对称面设置
• 2.2.4 回波损耗与输入阻抗计算方法
• 2.3 算例验证
• 2.3.1 带状线阶梯
• 2.3.2 带线馈电的宽缝天线
• 2.4 本章小结
• 第三章 毫米波宽带CBSA 分析与设计
• 3.1 新型宽带CBSA 形式与辐射机理分析
• 3.2 结构参数作用分析
• 3.2.1 缝隙尺寸对天线回波损耗的影响
• 3.2.2 背腔尺寸对天线回波损耗的影响
• 3.2.3 金属栅格对天线回波损耗及方向图的影响
• 3.3 新型宽带毫米波CBSA 初步设计结果
• 3.4 本章小结
• 第四章 毫米波宽带CBSA 的GA 优化设计
• 4.1 遗传算法基本原理
• 4.2 GA 优化新型CBSA
• 4.2.1 CBSA 优化基本流程
• 4.2.2 GA 优化CBSA 关键技术
• 4.2.3 GA 优化设置与进程
• 4.3 新型CBSA 优化设计结果
• 4.4 新型CBSA 优化设计验证
• 4.5 本章小结
• 第五章 毫米波宽带CBSA 阵列设计
• 5.1 CBSA 单元尺寸缩减
• 5.2 馈电网络设计
• 5.3 CBSA 阵列互耦抑制
• 5.3.1 内部互耦抑制
• 5.3.2 外部互耦抑制
• 5.4 CBSA 阵列设计验证
• 5.5 本章小结
• 第六章 基于基片集成波导工艺的CBSA
• 6.1 基于SI 背腔的CBSA 设计
• 6.1.1 基片集成工艺简介
• 6.1.2 介质填充背腔CBSA
• 6.1.3 基于SI 背腔的CBSA 单元
• 6.1.4 基于SI 背腔的CBSA 阵列
• 6.2 基于全SI 工艺的CBSA 设计
• 6.2.1 SICBSA 单元
• 6.2.2 SICBSA 阵列
• 6.3 本章小结
• 第七章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果