微波仿真论坛 - 八木天线的设计仿真与测试(1)(12)

北京交通人子硕+论文

采用一组权函数对方程两边取内积得： {w,,Lf) - (wite), i =1, ....................... …（3.31)

综合以上3个式子可得：

'^aJ(wi,Lf]'j = (w1,e}, / = 1,……，n ... (3.32) 用矩阵形式表示为：

[G]jX)=[￡]

... (3.33)

其中：

Gt- = (wt,Lf^

Aj = cXj UMGY[E] …(3.34)

? ? ■ (3.35) ... (3.36) 在NEC中采用分域基函数和点选配的方法：

w.t

；,. (3.37)

为权函数，为每段的中点。求得电流分布之后就可求得天线的输入阻抗、方 向图等。

在矩量法中，基函数的选取是非常重要的，它対于解的精度及收敛速度有很 大的影响。在NEC中采用的基函数为：

Ij(s) =? Aj + Bj sin(^-5;.) + Cj cos(5 _')， |s-5y|< A;-/2 ... (3.38) 其中，\\是第j段的中心坐标；A;是第i段的长度；都为待定系数，将 每一小段取JV-,AT°，AT则可得：

/,° = A° +B° sink(s -s+ C° cosk(s -sj), |s < A;/2

=AJ +BJsmk(s-Sj) + Cj cosk(s-Sj), js - j;-[< A；/2 ... (3.39) f* = A* +BJsink(s - ij) + Cj cosk(s -sy),

运用电流终端条件和Kirchoff电流守恒定律可定出这些系数。

对于优化算法来说，单纯型算法是最优化技术无约束极值直接法中比较有效 的方法之一，单纯形法的优点是不用求待求函数的一次导数矩阵和和赫森矩阵， 不进行复杂的矩阵运算，占用内存小，计算工作量小，对初值的要求不严格，对 复杂的函数求极值不会出现收敛性不稳定的现象。具体步骤可参考文献（2)。遗 传算法在电磁环境中的应用，也正成为一个人们普遍关注的热点。它可以用于一 些传统方法不易解决的问题，并且己经有了很多成功应用的实例，例如设计宽带

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八木大线的分析方法

微波吸收层、天线阵综合、各种形式无线天线、频率选择性表面、雷达目标识别 和后向散射问题，以及无线网络规划等。对此，文献[20]进行了相关的论述。以 单纯形法为例，优化设计时首先可以根据经验及理论分析给出各参数的寻优范围， 当优化算法产生的新的单纯形的点越过边界值时，则将点的坐标设为边界值。其 次根据实际问题设置目标函数值：

Fx

i) - c\\ ft (-^) + cifi (x) + -. + cJB (x)

... (3-4G)

= 分别对应不同的指标，￡^，(/ = 1，2』)分别对应不同指标的加权系 数。6可根据优

化结果进一步调整，如放大较差指标的加权系数而缩小较好指标 的加权系数。.

综合上面两点，可将八木天线的优化问题归结为如下数学模型：

s x. s xht, i =.i,2，\《n 整个优化过程可以用下图表示：

图34优化方框图

3. 4现代仿真技术在天线设计中的应用

前面已经提到，天线问题，实质上是电磁场的分布问题，是根据天线的激励 条件、边界条件，求解电磁场方程的问题。为了改善天线的方向特性，提高它的 定向发射和接收性能，必须对天线的几何结构，电磁场分布以及各种技术数据进 行大量的分析计算和试验检验。然而在实际应用中，辐射场强的计算要受多种因 素的制约，理论分析和工程计算只能给出一定数量级的概念，随着无线和有线设

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北京交通人学硕十论文

计向更高频率的发展和电路复杂性的增加，对于高频电磁场的仿真.出于忽略了 高阶传播模式而往往引起仿真的误差；另外，传统模式等效电路分析方法的限制, 与频率相关电容、电感元件等效模型而引起的误差》例如，在分析微带线时，许 多易于出错的无源模式是由于微带线或带状线的交叉、阶梯、弯曲、丌路、缝隙 等等，在这种情况下是多模传输。为此，通常釆用全波电磁仿真技术去分析电路 结构，通过电路仿真得到准确的天线参数。

利用计算机辅助设计CAD自从五十年代末发展起来至今，已经在天线设计 仿真优化领域发展成一门完整的学科，随着各种结构复杂、功能各异的天线形式 不断涌现，人们也在不断的对天线设计仿真手段进行改进和更新，以满足实际项 目的更高的需求。EDA仿真软件与电磁场的数值解法密切相关的，不同的仿真软 件是根据不同的数值分析方法来进行仿真的。通常，数值解法分为显示和隐示算 法，隐示算法（包括所有的频域方法）随着问题的增加，表现出强烈的非线性。 显示算法（例如FDTD、FIT方法在处理问题时表现出合理的存储容量和时间。

因为微波EDA仿真软件与电磁场的数值算法密切相关，在介绍微波EDA软 件之前先简要的介绍一下微波电磁场理论的数值算法。所有的数值算法都是建立 在Maxwell方程组之上的,在频域，数值算法有:有限元法（FEM - Finite Element Method)'.矩量法（MoM--Method of Moments),差分法（FDM--Finite Difference Methods),边界元法（BEM -),和传输线法（TLM - Transmission-Line-matrix Method),在时域，数值算法有：时域有限差分法(FDTD - Finite Difference Time Domain )和有限积分法（FIT - Finite Integration Technology )? 更进一步的各 种数值算法的具体实现的内容，以下几本书籍可以给我们提供：①Microwave Circuit Modeling Using Electromagnetic Field Simulation,② Numerical Techniques in Electromagnetics,③ Electromagmetic Simunation Using the FDTD Method.④ Complex eletromagnetic problems and numerical Simulation Approaches0 其中基于矩 量法仿真的微波EDA仿真软件主要有：ADS (Advanced Design System), Ansoft Designer, Microwave Office, Zeland IE3D, Ansoft Esemble, Super NEC 和 FEKO; 基于时域有限差分的微波仿真软件主要有：CST MICROWAVE STUDIO、 FIDELITY和MST Empire；基于有限元的微波EDA仿真软件主要有Ansoft HFSS 和 AnsysEmaXo

实践表明，应用CAD仿真工具，可以大幅度降低产品的开发周期和研制费 用，基本可以做到一次设计、一次完成，仿真结果与试验结果非常接近。但随着 频率的增加，为了获得更精确的仿真结果和提高仿真软件的运行效率，需要有准 确的模式与之匹配和更精确的数值方法。而对于软件的使用者来说.任何软件都 不是完美的，都需要有人工的控制和干预，这需要对电磁场理论有深刻的理解，

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八木犬线的分析方法

才可以结合设计对象建立有效的模型。目前，RF和微波CAD仿真软件已经从单 —的仿真工具向多重工具发展，CAD软件越来越向集电磁仿真、集成电路仿真、 PCB的制作为一体。 …… 此处隐藏：1287字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……