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一种新型的平面全向缝隙阵列天线

摘要：一种新型的平面全向辐射缝隙阵列天线在水平平面上被提出。该天线具有一个简单的基于带状线结构。它的制作采用了低成本的准确平面印刷技术。一系列的矩形环槽蚀刻在两个平行的接地平面上，作为散热器。在这项研究中讨论了天线的操作的基本原则。连续八个槽孔天线采用遗传算法（GA）的集群系统上实现了良好的全向辐射特性。原型天线的制作与量测。测量结果与仿真数据表明，该天线具有令人鼓舞的特征一致。例如，在工作频率为5.8 GHz时，在水平面上，它有一个形成良好的全向模式的最大增益变化小于0.5 dB，高增益10 dBi的水平，侧裂片10分贝以下的主瓣和正面。 同时，该天线的中心频率的4.6%的阻抗带宽（5.68–5.95 GHz）为S11<10分贝且具有全向性能稳定的阻抗带宽。

关键词: 遗传算法，全向天线，平面阵列，缝隙阵列。

一、 引言

蓬勃发展的无线通信系统市场显著需求在水平平面上全向辐射的高性能天线。已开发了各种天线，如同轴共线天线（可可）[ 1 ]，[ 2 ]，的平面偶极子阵列[ 3 ]，共形微带阵列[ 4 ]，[ 5 ]，微带贴片天线阵[ 6 ] -[ 8 ]，微带缝隙天线阵[ 9 ]，和波导缝隙阵列天线[ 10 ]。
对于许多实际的应用中，一个理想的全向天线应具有以下特点：（1）在增益变化小的水平面上有良好的全向辐射模式；（2）高增益；（3）效率高；（4）容易，可调辐射的倾斜角；（5）可直接由一个50Ω同轴线而不需要一个匹配或匹配变压器输入；（6）是紧凑的，重量轻容易以较低的成本来制造。然而，现有的天线无法满足所有这些要求。例如，同轴共线天线遇到由于其辐射元件的欧姆损耗效率降低和笨重的馈送网络的微波和毫米波无线应用[ 8 ]，[ 11 ]。微带共形阵列天线必须保证圆筒状的地面，使其造价高[ 3 ]。微带阵列天线具有较低的制造成本，但他们中的许多[ 6 ] -[ 8 ]遭受低增益和高增益变化。
本研究的目的是开发一个新的全向天线满足上述要求。该天线有一个简单的带状结构和使用一系列的矩形环槽，蚀刻在微带线的两个金属的理由，如散热器。这是提供直接通过50Ω同轴线的带状线的一端而不需要匹配或匹配变压器。此外，它的平面阵列结构允许一个简单的平面印刷技术的应用，使其制作简单，准确，并以较低的成本完成。带状线馈电缝隙阵列已有R.S.埃利奥特等人的研究。[ 12 ]，[ 13 ]，但是最好的作者的知识，没有这样的全向天线使用带状线的结构和环槽，在文献中已报道。
为了达到良好的全向辐射特性，该天线优化的遗传算法（GA），和GA的并行运行在集群系统中有32台电脑，加快优化过程。
这个交流排版如下。第二部分介绍了
建议的天线的配置。基于并行遗传算法的天线优化技术在第三章。在第四部分中是模拟和优化的天线测量特性的说明。最后最后结论是在第五章。

二、 天线的结构和工作原理

如图1所示，该天线包括一个带宽Wc和两个金属接地平面的中心导体。中心导体嵌入在电介质基板的相对介电常数∑γ和厚度h和被夹在两个平行的接地平面之间形成一个带状线是不平衡的，可直接满足与同轴电缆终端AÁ。其他终端
BBʹ
和侧壁开。一系列的矩形环槽蚀刻在金属接地。对于这样一个天线，不均匀的环槽具有不等间距的非均匀阵列在天线设计实现方面可以提供更大的灵活性，性能优于一个等间距大小分布均匀的槽。然而，要优化结构参数的数量将急剧增加，使得基于优化的遗传算法困难。因此，在这项研究中，我们决定采用与等间距的槽的大小均匀的天线阵列。

图1.缝隙天线阵的配 （a）它的横截面图； （b）中心导体； （c）接地平面几何

图2说明了瞬时电流分布规律在谐振频率的天线，如箭头所示。它是由流行的商业软件CST仿真（计算机仿真技术）微波工作室（MWS）基于有限积分技术（FIT）模仿。这个数字表明，从进料端，电流就开始流动，和衰减沿带状线。电流衰减是由于电磁能量耦合的带状线和逐步从环槽的辐射，具有行波天线的特性。这些插槽，电流是彼此相对水平面；因此，他们作为传输线有很小的远场辐射。相反，电流在垂直方向是同相的，他们作为散热器。此外，在垂直平面共线的安排将使他们的领域具有建设性和产生一个全方位的在水平面内高增益远场辐射模式。由此产生的辐射应该在宽边方向与线性极化（z方向），结果在第四章显现出来。

图2. 在缝隙阵列天线的电流分布

三、 天线优化

作为一个强大的和有效的优化技术，遗传算法（GA）[ 14 ]利用自然演进的过程：在连续几代参数的改进。
遗传算法已成功地应用在各种天线的优化[ 15 ]，[ 16 ]。在这项研究中，它是用于优化该全向天线。天线的辐射特性的全波模拟采用CST MWS软件得到。优化程序是并行的主从式模型和一个Beowulf集群系统[ 13 ]以实现大幅减少计算时间。Beowulf集群系统由32个处理器通过一个速度为1000 Mb / s以太网互联。一个处理器，命名为主处理器，而所有其进了优化的，被称为从处理器，执行的全波EM模拟使用CST MWS。
该全向天线工作在5.8 GHz。其优化的目标包括一个高增益（超过9 dBi的），在水平面上的小增益变化，良好的阻抗匹配，近似零辐射的倾斜角（即，主瓣在水平面）在工作频率，一个应当考虑的阻抗带宽至少为S11<-10的4%。为了达到所需的增益，根据几个全波模拟的结果，我们使用八个背靠背的环槽天线。
两个PCB（印刷电路板）被使用。他们每一个都有一个相对介电常数∑γ=2.65，损耗角δ正切为0.003，和厚度h/2为1毫米。中心导体和金属地印在一印刷电路板，而第二金属接印在另一PCB。他们是粘在一起形成天线。中心导体的宽度被选择为Wc为1.4毫米，这对应于特性阻抗为50Ω。Lf，第一个矩形环槽和馈电点之间的距离设置为20毫米。其他的七个结构参数，对该天线的性能影响很大，被优化。这些参数如下：槽的垂直长度Lr；循环的水平长度Wr；插槽中的水平和垂直方向的宽度，分别为Wy和Wz；内循环距离Dl；上边水平边分别为Dr和Dt。
然后，对这些结构参数的可能范围需要被指定的遗传算法优化。作为一个谐振天线，槽的垂直长度Lr大约等于0.5，波导的波长λ由工作频率f。公式λ=（!!!!!!!!!!!!!!!!λ。\）计算得到，其中λ。是自由空间波长，c是自由空间光的速度，∑r是相对的基板的介电常数。为确保所有槽有同相激励，内环距离应提供约1.0λ在共振相位360°延迟。全波EM模拟为了确定其他参数Wr、Wy、Wz、Dt和Dr，结果表明，Wr
应介于0.3λ和0.4λ之间；Dt应该在0.5左右；Wz、Wy和Dr应在0.05λ和0.1λ之间。

图3.所制作的原型天线

图4.测量和模拟|S11|在不同的频率

给出合理的围绕基于最优化遗传算法后，参数Lr和Dt被限制在10–20毫米的范围内（约0.3–0.6λ）；Dl限制在20–40毫米之间（约0.6–1.2λ）；Wr设置6.5–16毫米之间（约0.2–0.5λ）；Wz、Wy和Dr限制在1–4毫米之间（约0.03 -0.12λ）。
适应度函数功能中起关键作用的遗传算法优化它代表的是所需的性能要求和指导遗传算法优化的方向。对应上述优化目标，适应度函数被定义为􀀀
F=C1*MaxGain+C2*GainVariation+C3*S11+C4*TiltAngle+C5*Bandwidth（1）
其中F是适合度值；MaxGain,GainVariation,S11，TiltAngle和Bandwidth分别表示最大增益，在水平面上的最大增益变化，反射系数，在工作频率为5.8 GHz的辐射的倾斜角度，和S11<-10dB的阻抗带宽。增益和S11单位DBS，倾斜角单位为度。同样在（1），C1、C2、C3、C4和C5为权重因子，它代表在设计要求的每一项的相对重要性。没有特定的规则，在文献中找到确定的值。在这项研究中，他们是由经验确定和经过仔细的调整，分别设为0.05、-0.5、-0.02、-0.05、和0.1。
基于优化的遗传算法然后被执行。在优化时，遗传算法采用类似联赛选择精英法，以概率Pc=0.5和跳跃突变概率Pm=0.2单点交叉。它采用100代，220染色体和120个人在一个种群中。

四、 结果与讨论

基于遗传算法优化确定全向缝隙阵列天线采用结构参数建议如下：Lr=15.0毫米（约0.47λ），Wr=12.0􀀀毫米（约0.38λ），Wz=1.8（0.06λ），Wy=1.6毫米（约0.05λ），Dl=30.3毫米（约0.95λ），Dr=􀀀1.6􀀀毫米（约0.05λ
）和Dt=14.4􀀀毫米（0.45λ）。

图5.测量和模拟辐射模式在方位平面 （H-平面）和在仰角平面（E-平面）当 工作频率为5.8 GHz时，（a）在H面， （b）在E平面（x-z平面），（c）在E 面（y-z平面）

基于遗传算法天线优化过程在集群系统的并行计算需要大约150小时。在这种情况下，一个全波仿真需要大约20分钟，在一个单一的计算机（用四核Q6600在2.66 GHz和4 GB的RAM）的集群，没有并行计算优化程序将需要更多的时间（约4000小时）。

图6.该全向天线在不同频率下的模拟增益

图7.该全向天线在不同频率下模拟的仰角的主瓣

值得注意的是，基于遗传算法的天线设计需要相当大的计算时间。主要原因是遗传算法的开始和演变是一组试验方案，这是随机组成的，可能与预期的性能相差很大。因此，遗传算法可能不得不提出很多计算，为了找到一个最佳的解决方案。但另一方面，天线设计师不需要投入太多努力的初始设计，且设计过程高度自动化，从而可以节省大量的人力劳动。设计的质量和消耗时间在很大程度上取决于种群规模，即使用在遗传算法上的时间、试验解的个数，。事实上，120在本研究中选择的种群规模不太大。在我们的研究比较，本研究报告[ 17 ]和[ 18 ]分别用1600和6000的人口规模优化八木天线和四臂螺旋天线。
利用遗传算法优化确定的参数，原型天线的制作，如图3所示。它的长度和宽度分别为300毫米和15.2毫米。它是用于下面介绍的测量。
采用Agilent e8362b网络分析仪测量了该天线的反射系数。测量和模拟|S11|在图4中表现和比较。比较结果显示，两组数据彼此一致。同时，观察从图，在工作频率为5.8 GHz，|S11|是-25.8分贝，显示很好的匹配，和测量的
|S11|<-10dB带宽为270兆赫（从5.68 GHz至5.95 GHz），相当于4.6%的中心频率。
图5描述了模拟和测量的辐射模式在方位平面（H-平面）和高程面（E-平面）的工作频率为5.8 GHz。从这个图中，我们注意到，模拟和测量的辐射模式是在良好的协议，和一个非常良好的全向辐射模式的实现。此外，该天线的其他特性如下：增益为10 dBi。在水平面上的最大增益仿真结果是0.2分贝和测量数据0.5分贝，这对于一个平面天线是很低的。在主瓣的波束宽度约为10度E-平面，和主瓣完全是在水平面上，即，没有波束偏斜，这表明该天线的辐射的倾斜角度可以精确调整。在H-平面和E-平面，测得的侧裂片10分贝以下的主瓣和天线辐射的线性偏振，和交叉极化电平小于-20分贝。在整个单位球面上，模拟旁瓣电平，天线的交叉极化水平也低于-10分贝和-20分贝。

图8.在水平面该全向天线在不同频率下模拟的最大增益变化的相对频率
众所周知，一个天线的性能可能会有所不同，无论是逐渐或迅速变化的频率。由于串行馈电结构所采用的天线，谐振频率的偏差可能会使插槽的天线的辐射元件失去相位同步和随后恶化天线的全向特性。图6，7和8，分别说明模拟增益，仰角的主瓣和在水平面上的最大增益变化在不同的频率。在天线的|S11|<-10dB阻抗带宽（5.68–5.95GHz），增益从8.8 dBi至10 dBi的变化，主瓣的仰角在88–94度范围（相应的倾斜角度是从2度到4度），并在水平平面的最大增益是内0.4分贝。这些结果表明，该天线在一个中心频率为5.8 GHz的频带时可维持全向特性相当稳定。

五、 结论

一种新型的平面缝隙阵列天线。该天线具有许多优点如下。它基于一个简单的带状线结构简单。它由50Ω同轴线直接接入而不需要一个平衡或匹配变压器，并且作为一个平面天线很容易以较低的成本来制造。并以遗传算坏优化后一个集群，它表现出令人鼓舞的辐射特性，包括增益变化小，小于0.5 dB的水平面上的一个很好的全向模式，高至10 dBi的增益，在主瓣以下旁瓣多达10分贝，没有波述偏斜，表明其辐射倾斜角度可精确调整；其|S11|<-10dB带宽为中心频率的4.6%（5.68–5.95 GHz），并在相当大的频率波段保持稳定的全向特性。这些优点使该天线在无线通信系统中的各种应用成为一个很好的候选。

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