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特征模理论及其在天线中的应用.pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：2.57M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    封面
    声明
    中文摘要
    英文摘要
    目录
    第一章 绪论
    1.1 研究背景
    1.2 特征模理论的研究现状
    1.3 本文的主要内容和安排
    第二章 特征模理论介绍
    2.1 引言
    2.2 积分方程与矩量法概述
    2.3 经典特征模
    2.3 广义Inagaki模和广义特征模
    2.4 双正交模
    2.5 本章小结
    第三章 特征模理论分析宽带天线
    3.1 引言
    3.2 E型贴片天线的特征模分析
    3.3 宽带Magneto-electric 偶极天线的特征模分析
    3.4 本章小结
    第四章 特征模理论用于圆极化天线设计
    4.1 引言
    4.2 基于特征模理论圆极化天线设计
    4.3天线阵列设计
    4.4 本章小结
    第五章 特征模理论用于移动终端小型化天线设计
    5.1 引言
    5.2 移动终端的小型化天线地板的特征模分析
    5.3宽带匹配网络的设计
    5.4 移动终端小型化天线的设计
    5.5 本章小结
    第六章 特征模理论用于宽波瓣天线设计
    6.1 引言
    6.2 基于特征模理论的宽波瓣天线设计原理
    6.3 单向辐射的宽波瓣天线设计
    6.4 在波束扫描阵列中的应用
    6.5 本章小结
    第七章 结束语
    致谢
    参考文献
    攻读硕士期间取得的研究成果
    分类号 密级 UDC 1注 学 位 论 文 特征模理论及其在天线中的应用 （题名和副题名） 张 莹 作者姓名） （ 指导教师姓名 杨 峰 博 导 （职务、职称、学位、单位名称及地址） 电子科技大学 成 都 申请专业学位级别 硕士 专业名称 电磁场与微波技术 论文提交日期 2012.4 论文答辩日期 2012.5 电子科技大学 学位授予单位和日期 答辩委 员会主席 评阅人 2012 年 月 日 注 1：注明《国际十进分类法 UDC》的类号。 万方数据
    独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名： 日期： 年 月 日 论 文 使 用 授 权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后应遵守此规定） 签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 万方数据
    摘 要 摘 要 近些年特征模理论吸引了众多学者，它既可以弥补解析法应用范围的局限性 又可以兼顾解的精确性，并且具有清晰的物理概念，对天线的设计有指导性意义。 本文主要探讨特征模理论在天线分析与设计方面的应用。利用特征模理论对 不同类型的天线进行分析，用于说明特征模理论的实用性及其应用的广泛性。 首先利用特征模理论分析宽带天线，对 E 型贴片天线及 Magneto-electric 偶极 天线的宽带特性进行特征模分析，给出其具有宽带特性的内在原因。 其次将特征模理论用于圆极化天线的设计之中，设计了一款具有宽带及宽角 特性的圆极化天线，并给出利用特征模理论分析与设计圆极化天线的基本思路与 步骤。这是对特征模理论应用新的扩展。 然后将特征模理论应用在移动终端小型化天线的设计之上。利用终端设备的 地板作为主要辐射结构，通过合理的选择馈电位置以激励起有效的地板模式，这 种结构的“天线”并不谐振，只起到耦合出地板特征模式的作用，因此对其结构、 尺寸并无特殊要求，这有效的减小了系统尺寸，达到天线小型化的目的。 最后利用特征模理论综合出期望的方向图。本文给出利用特征模理论综合天 线方向图的基本思路，并以简单的偶极子天线为例设计了一款具有宽波瓣特性的 天线。 关键词：特征模，宽带天线，圆极化天线，终端小型化天线，宽波瓣天线 I 万方数据
    ABSTRACT ABSTRACT In recent years, Characteristic Mode Theory(CMT) has attracted much attentions of the researchers. Characteristic Mode Theory could compensate both the limitations of anatical method and accuracy of the results. What’s more, the clear physical conception could guide the antenna design. In this article, the applications of CMT to the antenna designs and analysis are discussed. Through the analysis of CM appling to various antennas, this method is proved to have practical use and wide applications. Fristly, the CMT is used to analysis the wide-band characteristics of the wide-band antennas like the E-pattern antenna and Magneto-electric dipole antenna. Secondly, the CMT is applied to circular-polarized antennas. A wide-band and wide-beam circular-polarized antenna is designed, the basic conception and process of the CMT that used to analysis and design the circular-polarized antenna is presented. These would expand of the application of CMT. Then the CMT is applied to the designs of mobile terminals small antenna. Using the ground of the terminal devices as the main radiation structure and reasonably choosing the position of the feed point exciting the effective ground mode, this type of “antenna” has no resonant effect and could only bring about the ground characteristic mode. Hence, there is no particular requirement for the structure and the dimension of the antenna, which could effectively reduce the overall system’s dimension and achieve the purpose of compacting antennas. In the end, the CMT is used to design a desired radiation pattern. The main steps of this design are given and the simple dipole antenna that has wide-beam characteristic is presented for example. Keywords: Characteristic Mode Theory(CMT). wide-band antennas. circular-polarized antennas. mobile terminals small antenna. wide-beam antenna element 万方数据 II
    目 录 目 录 第一章 绪论 .................................................................................................................1 1.1 研究背景 ..............................................................................................................1 1.2 特征模理论的研究现状 ......................................................................................1 1.3 本文的主要内容和安排 ........................................................................................6 第二章 特征模理论介绍.............................................................................................7 2.1 引言 ......................................................................................................................7 2.2 积分方程与矩量法概述 ......................................................................................8 2.2.1 积分方程方法概述 .......................................................................................8 2.2.2 矩量法（MOM）简介 .................................................................................9 2.3 经典特征模 ........................................................................................................12 2.3 广义 INAGAKI 模和广义特征模.....................................................................16 2.4 双正交模 ............................................................................................................17 2.5 本章小结 ............................................................................................................18 第三章 特征模理论分析宽带天线...........................................................................19 3.1 引言 ....................................................................................................................19 3.2 E 型贴片天线的特征模分析.............................................................................19 3.3 宽带 MAGNETO-ELECTRIC 偶极天线的特征模分析.................................23 3.3.1 MAGNETO-ELECTRIC 偶极天线简介...................................................23 3.3.2 特征模理论分析 MAGNETO-ELECTRIC 偶极天线..............................25 3.4 本章小结 ............................................................................................................33 第四章 特征模理论用于圆极化天线设计...............................................................34 4.1 引言 ....................................................................................................................34 4.2 基于特征模理论圆极化天线设计 ....................................................................34 4.3 天线阵列设计 .......................................................................................................43 4.3.1 天线子阵设计 .............................................................................................43 4.3.2 在波束扫描阵列中的应用 .........................................................................46 4.4 本章小结 ............................................................................................................47 第五章 特征模理论用于移动终端小型化天线设计...............................................48 III 万方数据
    目录 5.1 引言 ....................................................................................................................48 5.2 移动终端的小型化天线地板的特征模分析 ......................................................48 5.3 宽带匹配网络的设计 ...........................................................................................51 5.3.1 匹配网络的设计原理 .................................................................................51 5.3.2 天线匹配网络的设计 ...................................................................................53 5.4 移动终端小型化天线的设计 ..............................................................................56 5.4.1 HFSS 仿真......................................................................................................56 5.4.2 加工与测试 ...................................................................................................58 5.5 本章小结 ............................................................................................................62 第六章 特征模理论用于宽波瓣天线设计...............................................................64 6.1 引言 ....................................................................................................................64 6.2 基于特征模理论的宽波瓣天线设计原理 ........................................................64 6.3 单向辐射的宽波瓣天线设计 ............................................................................67 6.4 在波束扫描阵列中的应用 ................................................................................69 6.5 本章小结 ............................................................................................................72 第七章 结束语 ...........................................................................................................73 致 谢 .........................................................................................................................75 参考文献 .....................................................................................................................76 攻读硕士期间取得的研究成果.................................................................................80 IV 万方数据
    第一章 绪论 第一章 绪论 1.1 研究背景 在过去的几十年中，计算电磁学理论得到蓬勃发展，它以电磁场理论为基础， 结合计算数学方法，用于分析各种电磁场问题。在其发展过程中，出现了很多分 析电磁问题的方法，按照其解的精确性，大致可以分为：解析法，半解析法，数 值法。 解析法是根据麦克斯韦方程组和特定的边界条件建立微分方程或者积分方程 并加以求解的一种重要的计算方法。镜像法，分离变量法，格林函数法和模式匹 配法都为常见的解析方法。解析法的计算结果较为精确，可以作为数值解的检测 标准，并且在解析过程中可以观察到各个参量的内在联系，物理概念清晰，便于 理解与分析电磁问题。但是，解析法的应用十分有限，分离变量法和镜像法只适 用于相对简单的电磁问题，而积分方程则常常求不出结果而导致分析过程的复杂 化。 而数值方法则将数学问题离散化，适用性更强，可以解决复杂几何形状和边 界条件的电磁问题。但是数值方法难以观察到各个参量之间的内部联系，缺乏清 晰的物理认识，因此，对于理解和分析电磁问题有一定的难度。不便于指导工程 设计。 解析法计算结果精确，物理概念清晰，但是应用范围有限。数值方法受物体 形状限制较小，但是缺乏清晰的物理概念。特征模方法是解析法和数值法的有效 结合，它可以对任意形状的电磁问题进行分析，既可以弥补解析法应用范围的局 限性，又可以兼顾其解的精确性，并且特征模方法具有清晰的物理概念，便于指 导工程设计。因此自其提出以来便在计算电磁学和天线设计领域有着较为广泛的 应用。 1.2 特征模理论的研究现状 特征模理论最初由Garbacz在他的博士论文[1]中提出，他认为对于任意形状的 导体，都可以在其表面定义一系列相互正交的特征模式，而这些特征模式是导体 1 万方数据
    电子科技大学硕士学位论文 的固有属性，本身具有收敛性和完备性，可以精确的表示电磁问题的解。但是其 论文中并没给出计算这些特征模式的通用公式。 1971 年，Harrington通过矩量法给出特征模式的计算过程,并在导体表面定义了 一系列实数的特征电流，其特征场在无穷远球面上正交[2-3]。Harrington在 1972 年 将此理论推广到介质中[4]。这种特征模理论后来被称作经典特征模。经典特征模理 论的特征值具有明确的物理意义，便于分析指导天线设计，因此为天线设计者所 青睐。但是此计算方法要求算子必须为Hermitian算子，且其正交特性也具有一定 的局限。 1978 年，Inagaki提出了广义Inagaki理论，相对于经典特征模它具有更加普遍 的正交特性，其特征模式的表面电流在源区相互正交，而其特征场在任意选定区 域正交[5-6]。 1989 年，曹伟提出了一种双正交模。与其它的特征模理论不同，其模式组之 间具有双正交特性，即同一组模式内的两两模式并不正交，正交特性存在于两组 模式之间，此方法不需要算子具有对称性，处理问题更具灵活性[7]。2006 年，其 学生张云峰在博士毕业论文中提出了一种加权双正交模[21]，使双正交模方法更加 完善。 1990 年，刘兑现提出了一种广义特征模理论，它具有明确的物理意义，并且 计算量更小[8]，有效的减短了计算时间。 特征模理论具有清晰的物理概念，可以从本质上对天线的辐射机理进行合理 的解释，便于指导天线的设计。因此自从其提出以来便在天线设计领域得到广泛 的应用： 最初Harrington利用特征模理论综合出期望的散射截面[9-10]，他首先优化出一 组可以近似表达期望散射截面的特征电流，然后通过选择端口的个数，位置等使 这些特征电流成为主要的谐振模式，并抑制其他的高次模，最终综合出期望的散 射截面。 1980 年，Newman和Garbacz利用特征模理论分析线接头问题[11]，1982 年， Garbacz利用特征模理论来指导线天线的形状设计[12]。1987 年，Kaban利用特征模 理论对缝隙天线进行分析[13-15]。 1994 年，Austin利用特征模理论对车载NVIS天线进行分析[16]，并于 1998 年优 化出了一个方向图垂直向上的车载线天线[17]。它通过利用期望方向图与特征模理 论计算得到的方向图做内积的方法来寻找合适的特征模式，这些特征模式的组合 可以合成所期望的方向图，通过观察这些特征电流的幅度相位信息选择合适的激 2 万方数据
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