基于矩量法的平板單極子天線拓撲優(yōu)化設(shè)計.pdf

1、當(dāng)今社會是一個海量數(shù)據(jù)交換的時代，無線通信技術(shù)以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛。工程實際對數(shù)據(jù)交換設(shè)備的性能提出了愈來愈苛刻且嚴格的需求。天線作為無線數(shù)據(jù)交換設(shè)備的主要功能結(jié)構(gòu)，是決定數(shù)據(jù)交換設(shè)備優(yōu)劣的重要因素。因此天線結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計成為無線通信技術(shù)發(fā)展道路上的難點和重點。傳統(tǒng)的天線優(yōu)化設(shè)計是基于經(jīng)驗構(gòu)型的變型、改變參數(shù)進行重復(fù)仿真分析、尺寸優(yōu)化等途徑，不僅理論基礎(chǔ)不足，而且設(shè)計空間狹小，難以獲得超出經(jīng)驗設(shè)計的具有更優(yōu)性能的創(chuàng)新型構(gòu)型。因此現(xiàn)代天線

2、設(shè)計需要更加系統(tǒng)的、高層次的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。拓撲優(yōu)化是直接對結(jié)構(gòu)拓撲進行優(yōu)化的設(shè)計方法，探索結(jié)構(gòu)內(nèi)部的布局與連接形式，能夠產(chǎn)生新的結(jié)構(gòu)形式，是結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中最有意義的一個階段。采用拓撲優(yōu)化技術(shù)指導(dǎo)天線結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是天線領(lǐng)域日益增長的設(shè)計需求所決定的必然趨勢。此外，隨著精細數(shù)值分析方法的發(fā)展，計算電磁學(xué)數(shù)值方法的崛起也為天線結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了有限元分析基礎(chǔ)。針對上述情況，本文采用了基于矩量法的單極子天線分析方法，研究了拓撲優(yōu)化技術(shù)用于天線結(jié)構(gòu)優(yōu)

3、化設(shè)計的方法，提出了單極子天線拓撲優(yōu)化模型并對拓撲優(yōu)化中的核心技術(shù)進行研究，實現(xiàn)了基于拓撲優(yōu)化的天線結(jié)構(gòu)設(shè)計。
　　本文的研究內(nèi)容如下:
　　(1)RWG矩量法單極子天線數(shù)值模擬分析方法。本文對矩量法的理論推導(dǎo)以及矩量法在天線數(shù)值仿真中的應(yīng)用特點進行了簡單說明，重點研究了引入Rao-Wilton-Glisson基函數(shù)求解天線表面電流密度進而分析天線性能的方法。基于RWG邊元法，給出了天線數(shù)值仿真問題中阻抗矩陣、狀態(tài)方程等的求

4、解方法，建立了單極子天線的邊饋模型，并給出了天線各項性能參數(shù)的表達式。說明了分析方法的程序?qū)崿F(xiàn)流程。數(shù)值算例驗證了在天線數(shù)值模擬中矩量法具有良好的適用性。通過與有限元軟件Ansoft HFSS仿真結(jié)果的對比分析，說明了矩量法的效率優(yōu)勢。
　　(2)建立了以金屬材料分布參數(shù)為設(shè)計變量、考慮天線效率最大化的單極子天線結(jié)構(gòu)設(shè)計拓撲優(yōu)化模型和求解方法。采用類似變密度法的拓撲優(yōu)化方法，對單極子天線結(jié)構(gòu)進行離散并得到了金屬材料布局的描述參數(shù)。

5、考慮正切函數(shù)的特點，提出了正切函數(shù)形式的材料插值函數(shù)，說明了插值函數(shù)所具有的物理意義?；谔炀€能量平衡系統(tǒng)，導(dǎo)出了最大化天線效率的目標函數(shù)表達式并給出了目標函數(shù)關(guān)于設(shè)計變量的靈敏度表達式。數(shù)值算例驗證了本文建立的優(yōu)化模型的正確性，能夠有效地提高天線的效率。針對優(yōu)化算例拓撲結(jié)果中的灰度單元，提出了基于閾值的后處理方法并進一步討論了閾值法的局限性，提出了改進的動態(tài)懲罰格式，通過算例說明了動態(tài)懲罰格式能夠有效地從優(yōu)化模型層面消除優(yōu)化迭代過程中

6、出現(xiàn)的灰度單元，獲得黑白拓撲結(jié)果。
　　(3)考慮多頻段工作性能的單極子天線結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。面對通信系統(tǒng)高品質(zhì)服務(wù)和多樣性服務(wù)的需求，通信頻段不斷向?qū)掝l段、高頻段以及多頻段發(fā)展。覆蓋多種功能工作頻段天線構(gòu)型的研究具有非常實際的工程意義。利用本文所提出的以最大化天線效率為優(yōu)化目標的拓撲優(yōu)化模型，進行了能夠覆蓋GPS、DCS、PCs和TD-SCDMA頻段的平板型單極子天線拓撲優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化算例說明了該優(yōu)化模型能夠獲得在指定多頻段高效工作