【正文】 11 簡介 11 環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)及硬件 11 環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備控制的難點(diǎn) 12 環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備的建模研究 12 環(huán)境實(shí)驗(yàn)設(shè)備的模型概述 12 飛升曲線法辨識環(huán)境試 驗(yàn)設(shè)備的數(shù)學(xué)模型 14 本章小結(jié) 19 第四章 多變量預(yù)測控制算法的研究與推導(dǎo) 20 多變量預(yù)測控制算法的推導(dǎo) 20 仿真研究 24 本章小節(jié) 25 第五章 多變量非自衡系統(tǒng)預(yù)測控制算法的研究與推導(dǎo) 26 多變量非自衡系統(tǒng)預(yù)測控制算法 26 單變量非自衡系統(tǒng)預(yù)測控制算法 26 多變量非自衡系統(tǒng)預(yù)測控制算法 29 仿真研究 33 本章小結(jié) 34 第六章 環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備的預(yù)測控制研究 35 脈沖響應(yīng)系數(shù)模型的獲得及對象特性分析 35 脈沖響應(yīng)系數(shù)模型的獲得 35 對象特性分析 36 仿真控制實(shí)驗(yàn) 37 參數(shù)選擇 37 仿真控制結(jié)果 43 本章小結(jié) 45 結(jié)束語 46 參考文獻(xiàn) 47 附 錄 48 致 謝 49 第一章 緒 論 研究背景 近代通信技術(shù)的發(fā)展，使得電磁頻譜成為最寶貴的自然資源之一。在獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，即可針對性地對天線優(yōu)化，使得工作頻率盡 可能寬尺寸盡可能小。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題目： 小型化超寬帶天線的模型仿真 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論 文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。在保證工作頻率內(nèi) VSWR 小于 2 的基礎(chǔ)上盡可能地縮減天線的尺寸。特別是近年來隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使得無線系統(tǒng)要求的帶寬不斷增大。 毫無疑問，通過占有高達(dá) 7500MHz的頻帶，超寬帶技術(shù)必將成為無線短距離高速通信方面的霸主并在未來成為該領(lǐng)域的核心技術(shù)，因此它一出現(xiàn)就被業(yè)內(nèi)人士戲稱為“藍(lán)牙殺手”。 簡而言之 ， 就是 某項(xiàng)給定的技術(shù)指標(biāo)不超出給定的范圍所對應(yīng)的頻率范圍。 LPDA 具有極寬的帶寬，達(dá)到 10∶ 1 甚至更高，且具有較高的增益，在短波、超短波、微波等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 平面結(jié)構(gòu)式早期超寬帶天線的主要結(jié)構(gòu)，于 1976 年由 首先提出來，隨后得到 了不斷的發(fā)展。最簡單的輻射體設(shè)圓形的，改變半徑即可決定天線的最低工作頻率，而把圓形變成橢圓、漏斗形、 U 形則可進(jìn)一步拓寬天線的帶寬。在設(shè)計(jì)中，通常在天線結(jié)構(gòu)中增加二分之一波長的諧振槽貨四分之一波長短截線使之具 有阻帶特性，并且通過增加一些寄生微帶線，改變其長度寬帶和位置，可實(shí)現(xiàn)不同的陷波特性。似乎超寬的工作頻帶與小型化目前是一對矛盾，但許多學(xué)者和研究人員在小型化方面傾注了很多心血以圖解決這個(gè)問題。但從設(shè)計(jì)、優(yōu)化、批量試產(chǎn)到商用，都要經(jīng)過反復(fù)的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)。 第三章為仿真設(shè)計(jì)，簡單介紹有限元法的電磁計(jì)算方法，對軟件 HFSS 簡單介紹。 第二章 超寬帶天線理論基礎(chǔ) 引言 通信、廣播、電視、雷達(dá)、導(dǎo)航燈無線電技術(shù)設(shè)備中，都需要有無線電波的輻射和接收，用以完成這個(gè)作用的裝置稱之為天線。電路參數(shù)包括阻抗、電壓駐波比、反射系數(shù)、回 波損耗等；極化、增益、方向圖等則屬于輻射參數(shù)。 圖 電流元極其坐標(biāo)系 計(jì)算該電流元在其周圍空間產(chǎn)生的電磁場分布。 Imdl 放置于球坐標(biāo)的原點(diǎn)處，它與圖 的電流元相對應(yīng)。 可知電流元 I(z)dz所產(chǎn)生的輻射場為： ??? ?? ?? ? rjer dzzIjdE s in)(30 (25) 將式 (25)代入上式可得位于 z? 處的電流元的輻射場為： ???????????????2222111121s i n)(s i n30s i n)(s i n30????????????dzer zlIjdEdzer zlIjdErjMrjM (26) 式中， ??? 、 21 為單位矢量。 S 參量的兩端口網(wǎng)絡(luò)模型示意圖如圖 所示 ： 在線性微波網(wǎng)絡(luò)中，由于歸一化電壓和電流之間呈線性關(guān)系，所以歸一化入 射 波與反射波之間也呈線性關(guān)系。所謂的輻射參量包括輻射的功率通量密度、場強(qiáng)、相位和極化，在一般情況下，輻射方向圖在遠(yuǎn)場測定，并表示為空間方向坐標(biāo)的函數(shù)，稱為方向（圖）函數(shù)。在此平面內(nèi)，功率通量密度或場強(qiáng)隨方向角φ變化。定義為在總輻射功 率相同的條件下，天線在某特定方向上的輻射強(qiáng)度與參考天線的輻射強(qiáng)度之比。增益 G 與方向性系數(shù) D 的關(guān)系見式 （ 225） ： （ 217） 其中 η 為天線效率，天線輸入端的阻抗失配、饋電網(wǎng)絡(luò)的插入損耗、天線結(jié)構(gòu)的導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗、天線輻射的表面波損耗等因素都會(huì)降低天線的輻射效率。反之則在傳輸中有能量損失。 2 并聯(lián)終端匹配 并聯(lián)終端匹配的理論出發(fā)點(diǎn)是在信號源端阻抗很小的情況下，通過增加并聯(lián) 電 阻使負(fù)載端輸入阻抗與傳輸線的特征阻抗相匹配，達(dá)到消除負(fù)載端反射的目的。 有很多種阻抗匹配的方法，看看相比于其他計(jì)算方法而言，史密斯圓圖的優(yōu)點(diǎn)在什么地方。 本章小結(jié) 本章介紹了天線的基礎(chǔ)知識，包括天線的電路參數(shù)、輻射參數(shù)、阻抗匹配和實(shí)際應(yīng)用的一些要求。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個(gè)合適的 (較簡單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿足條件 (如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問題的解。 第二步：求解域離散化：將求解域近似為具有不同有限大小和形狀且彼此相連的有限個(gè)單元組成的離散域，習(xí)慣上稱為有限元網(wǎng)絡(luò)劃分。總裝是在相鄰單元結(jié)點(diǎn)進(jìn)行，狀態(tài)變量及其導(dǎo)數(shù)（可能的話）連續(xù)性建立在結(jié)點(diǎn)處。 HFSS提供了一簡潔直觀的用戶設(shè)計(jì)界面、精確自適應(yīng)的場解器、擁有空前電性能分析能力的功能強(qiáng)大后處理器，能計(jì)算任意形狀三維無源結(jié)構(gòu)的 S參數(shù)和全波電磁場。 在創(chuàng)建每一個(gè)基本結(jié)構(gòu)單元時(shí)， HFSS都會(huì)提示確定其屬性，默認(rèn)的材料特性是真空。通過 HFSSAnalysis SetupAdd Solution Setup可以進(jìn)行自適應(yīng)頻率和收斂標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)置，通過 HFSSAnalysis SetupAdd Sweep可以得到互連結(jié)構(gòu)的掃頻響應(yīng)，通常選擇插值掃頻。有以下經(jīng)驗(yàn)公式： LWHr ?????2 （ 31） FH ?? ? (32) rHHF ?? （ 33） （ 34） rHfL ?? 72 其中 H、 r 是圖 所示圓柱體的高和半徑。 圖 天線模型圖示 設(shè)置仿真的頻率為 7GHz（由于是重點(diǎn)仿真其駐波比，所以頻點(diǎn)設(shè)為中心頻率），添加掃頻，仿真 3— 11GHz 的結(jié)果，由于先粗略仿真，故每 1GHz 仿一個(gè)點(diǎn)。同軸線線芯半徑為，中間介質(zhì)半徑 ，介電常數(shù)為 外導(dǎo)體半徑為 ， 同軸線細(xì)節(jié)如圖 所示， 經(jīng)過計(jì)算阻抗為 50 歐姆。然后闡述了單極子天線的設(shè)計(jì)方法 —— 圓柱體近似法，采用三個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式即可粗略算出輻射片的面積，接下來就可以采用面積等效法進(jìn)行變換。 使用軟件中的 Optimetrics 中的 Tuning 進(jìn)行仿真。 綜合參考論文和自己的仿真經(jīng)驗(yàn)，我覺得這是一個(gè)合情推理，有待下文驗(yàn)證。根據(jù)以上分析，加上基于接地板與輻射片關(guān)系的考慮，確定不對輻射片形狀加以變化，保持原始形狀。 為了進(jìn)一步優(yōu)化天線，本節(jié)再嘗試著對接地板進(jìn)行處理，在其左上角和右上角形成漸變結(jié)構(gòu)，看能否優(yōu)化低頻段的性能。在 H 面，天線具有比較好的全向性，可收發(fā)各個(gè)方向的信號，且在不同的頻點(diǎn)變化不大。并且在 — 11GHz的范圍內(nèi) VSWR＜ ，達(dá)到了通信中的應(yīng)用要求。 圖 開槽優(yōu)化后天線駐波比變化 圖 可以看出，該天線經(jīng)過優(yōu)化后雖然帶寬展寬了，但是在 2— 3GHz附近的阻抗匹配情況又變差了。紅色的實(shí)線是原始輻射片經(jīng)過位置稍微變化而來，形狀不變，在 2— 的范圍內(nèi)，駐波比小于 2。 改變接地板高度后，天線模型變?yōu)槿鐖D 所示。 微帶線饋電天線的仿真對比與優(yōu)化 基于計(jì)算機(jī)內(nèi)存考慮，在控制變量分析的時(shí)候，一次只改變一個(gè)參數(shù)進(jìn)行仿真，多參數(shù)的契合分析將有針對性地進(jìn)行。 本章小結(jié) 本章首先介紹了有限元法的原理，將求解域分解成許多小 的有限元域，對各個(gè)元域求解，然后再推導(dǎo)整個(gè)域的解，這是一種用簡單代替復(fù)雜的方法。輻射片是從圓形中切出的一部分弓形，采用共面波導(dǎo)同軸線饋電。輻射片的圓片半徑為 10mm，從頂部和左右切去三個(gè)弓形，形成如圖所示的輻射片，整體大小為 30mm 30mm 1mm，空氣盒子為 130mm 130mm 120mm，邊界條件設(shè)為Radiation。在超寬帶單極子天線設(shè)計(jì)中，由于帶寬超寬，所以只要求駐波比小于 2 即可，而方向圖要求全向，貼近半波對稱振子的方向圖。 HFSS假定你定義的波端口連接到一個(gè)半無限長的波導(dǎo)，該波導(dǎo)具有與端口相同的截面和材料，每個(gè)端口都是獨(dú)立地激勵(lì)并且在端口中每一個(gè)入射模式的平均功率為 1