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高增益定向电小天线在一些通信系统中发挥着重要作用。随着通信设备的小型化,预留给天线设计的部分也越来越有限,更增加了设计难度。以往高增益定向电小天线的设计主要采用常规优化方法,即通过尝试,反复进行“确定馈电位置→改变天线结构”这一过程,直至达到性能要求。该方法主要依赖于设计者的经验,并且馈电位置的设定限制了天线设计的自由度。根据特征模理论,任意天线的表面电流分布可表示为特征电流的加权叠加。特征模本身具有的物理特性有助于天线的分析和设计。本文利用特征模理论对高增益定向电小天线进行了研究,为其提供了一种新的分析与设计方法。主要内容概括如下:
1.研究了高增益定向电小天线的特征模特性,研究了特征远场的点对称特性,提出了一种基于特征模的针对该类天线的设计方法。
通过研究高增益定向电小天线的特征模特性,发现电小天线至少需要激励两个特征模才能实现定向辐射。为了验证该现象的合理性,通过坐标变换,采用天线阵列原理,推导得出了特征远场的点对称关系,发现在合适的激励条件下,特征远场能够加权叠加实现定向辐射。根据上述分析,提出了一种基于特征模的针对该类天线的设计方法。
2.推导并验证了天线参数的特征模表达式,推导得出了最大可得方向性系数,提出了任意导体超方向性特性定量分析方法。
根据上述设计方法,首先推导和验证了天线方向性系数、辐射效率、Q值的特征模表达式;通过求解方向性系数的最大值,得出了任意导体的最大可得方向性系数(Da)。通过分析导体的Da、辐射效率和Q值,提出了任意导体超方向性特性定量分析方法。该方法可针对任意导体进行分析,相比于文献中基于球面模的仅能针对球体进行分析的方法,具有明显优势。对定向电小天线导体的超方向性特性进行研究,给出了一种通过加载单个馈电以激励两个模式的设计方案。
3.研究构建了与馈电位置无关的优化目标函数,设计了形状优化高增益定向电小天线,实现了一种基于特征模的形状优化设计方法。
根据上述设计方案,为使电小导体获得达到Da的方向图并同时具有定向辐射特性,首先建立定量表达式,推导得出了基于特征模的严格优化目标函数,并通过合理近似构建了简化目标函数。该简化目标函数与馈电无关,可用于该类天线的形状优化设计。根据天线辐射效率的特征模表达式,推导得出了辐射效率优化目标函数,将其与上述简化目标函数结合,构建了与馈电位置无关的高增益定向电小天线形状优化目标函数。利用该目标函数进行优化实验,成功实现了增益趋近于Da所对应的增益的定向电小天线设计,实现了一种基于特征模的形状优化设计方法。
4.对形状优化高增益定向电小天线进行了实际测量,验证了基于特征模的形状优化设计方法的有效性与实际可行性。与传统设计不同,该方法只需针对导体形状进行优化,馈电位置由优化所得导体的特征电流分布进行确定,有助于有效利用有限设计区域获得天线高增益特性,为高增益定向电小天线提供了一种新的设计途径。
1.研究了高增益定向电小天线的特征模特性,研究了特征远场的点对称特性,提出了一种基于特征模的针对该类天线的设计方法。
通过研究高增益定向电小天线的特征模特性,发现电小天线至少需要激励两个特征模才能实现定向辐射。为了验证该现象的合理性,通过坐标变换,采用天线阵列原理,推导得出了特征远场的点对称关系,发现在合适的激励条件下,特征远场能够加权叠加实现定向辐射。根据上述分析,提出了一种基于特征模的针对该类天线的设计方法。
2.推导并验证了天线参数的特征模表达式,推导得出了最大可得方向性系数,提出了任意导体超方向性特性定量分析方法。
根据上述设计方法,首先推导和验证了天线方向性系数、辐射效率、Q值的特征模表达式;通过求解方向性系数的最大值,得出了任意导体的最大可得方向性系数(Da)。通过分析导体的Da、辐射效率和Q值,提出了任意导体超方向性特性定量分析方法。该方法可针对任意导体进行分析,相比于文献中基于球面模的仅能针对球体进行分析的方法,具有明显优势。对定向电小天线导体的超方向性特性进行研究,给出了一种通过加载单个馈电以激励两个模式的设计方案。
3.研究构建了与馈电位置无关的优化目标函数,设计了形状优化高增益定向电小天线,实现了一种基于特征模的形状优化设计方法。
根据上述设计方案,为使电小导体获得达到Da的方向图并同时具有定向辐射特性,首先建立定量表达式,推导得出了基于特征模的严格优化目标函数,并通过合理近似构建了简化目标函数。该简化目标函数与馈电无关,可用于该类天线的形状优化设计。根据天线辐射效率的特征模表达式,推导得出了辐射效率优化目标函数,将其与上述简化目标函数结合,构建了与馈电位置无关的高增益定向电小天线形状优化目标函数。利用该目标函数进行优化实验,成功实现了增益趋近于Da所对应的增益的定向电小天线设计,实现了一种基于特征模的形状优化设计方法。
4.对形状优化高增益定向电小天线进行了实际测量,验证了基于特征模的形状优化设计方法的有效性与实际可行性。与传统设计不同,该方法只需针对导体形状进行优化,馈电位置由优化所得导体的特征电流分布进行确定,有助于有效利用有限设计区域获得天线高增益特性,为高增益定向电小天线提供了一种新的设计途径。