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基于最大功率传输效率法的近场三维方向图赋形

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固体电子学研究与进展 2021年第1期41卷 35-40页

作者：孙舒逸文舸一南京信息工程大学应用电磁学研究中心南京210044

讨论如何利用带约束的最大功率传输效率(CMMPTE)法通过阵列天线来综合三维方向图。通过引入测试接收阵列天线,待设计的阵列天线与之构成无线功率传输(WPT)系统,从而将方向图的综合问题转换成WPT系统功率传输效率(PTE)的优化问题。通过... 详细信息

讨论如何利用带约束的最大功率传输效率(CMMPTE)法通过阵列天线来综合三维方向图。通过引入测试接收阵列天线,待设计的阵列天线与之构成无线功率传输(WPT)系统,从而将方向图的综合问题转换成WPT系统功率传输效率(PTE)的优化问题。通过调整约束条件,在保证PTE最大化的条件下可获得阵列天线的激励分布,根据激励分布设计馈电网络实现近远场方向图的赋形。作为例子,设计了中心频率为2.45 GHz的赋形天线阵列,该阵列由48个微带天线单元组成,排成六棱柱形状,并在棱柱内部实现了三维圆柱形的电场赋形。

关键词：天线阵列近场赋形功率传输最大化方法馈电网络权重系数

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基于CMMPTE的阵列天线研究与设计

基于CMMPTE的阵列天线研究与设计

作者：夏桥江南京信息工程大学

学位级别：硕士

随着现代科学技术的发展,阵列天线逐渐被用于卫星通信、无线能量传输、微波热疗等应用领域中,这些应用领域对天线技术提出了更高的要求。阵列天线相较于单个天线单元,拥有更高的增益和方向性,并且可通过赋予端口不同的激励来实现特殊的... 详细信息

随着现代科学技术的发展,阵列天线逐渐被用于卫星通信、无线能量传输、微波热疗等应用领域中,这些应用领域对天线技术提出了更高的要求。阵列天线相较于单个天线单元,拥有更高的增益和方向性,并且可通过赋予端口不同的激励来实现特殊的辐射性能。本文以功率传输效率为优化目标,通过带约束的最大功率传输效率法(CMMPTE)对双频圆极化可重构阵列天线进行优化设计,圆极化波束在大角度扫描时拥有较低的交叉极化电平和轴比。之后通过CMMPTE对特定能量分布的无线功率传输系统优化的方法,对目标区域采样点的电场值进行约束,实现了近场区域电场的三维赋形。本文主要进行了以下研究:1.首先设计了一款用于Ka波段卫星通信的圆极化可重构阵列天线,该天线是一款双频圆极化可重构阵列天线,拥有结构简单、剖面低等特点。本文在阵列天线波束需偏转方向的远场区放置双端口接收天线,并通过极化约束条件对圆极化波束进行优化,圆极化波束在扫描时始终保持较低的交叉极化电平和轴比。设计了两款工作在收发频段的波束成形控制器,加工了天线实物并在微波暗室中进行了测试,实测结果和仿真吻合较好,验证了该方法的可行性。2.然后通过CMMPTE对特定能量分布的无线功率传输系统优化的方法设计了一款近场三维赋形阵列天线。通过调取目标区域采样点的电场值作为约束条件,保证了电场按期望形状分布的同时功率传输效率最大。相较于传统的CMMPTE,该方法不再需要放置接收天线来进行优化,在实际的应用中自由度更高。所设计的近场三维赋形阵列天线实现了球体形状的电场赋形以及在期望方向上的偏移,最后验证了该方法在溶液环境中也实现了良好的三维赋形效果。

关键词：阵列天线圆极化可重构近场赋形最大功率传输效率法

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几种典型阵列天线的优化设计

几种典型阵列天线的优化设计

作者：张子健南京信息工程大学

学位级别：硕士

随着我国北斗导航系统的日益成熟、移动终端设备的快速发展以及设备智能化浪潮的到来,对天线技术提出了更高的要求。本文以北斗导航终端天线、手持终端智能天线以及近场赋形阵列天线为研究对象,设计了三款用于不同领域的典型阵列天线,... 详细信息

随着我国北斗导航系统的日益成熟、移动终端设备的快速发展以及设备智能化浪潮的到来,对天线技术提出了更高的要求。本文以北斗导航终端天线、手持终端智能天线以及近场赋形阵列天线为研究对象,设计了三款用于不同领域的典型阵列天线,其主要工作包括:1、根据一体化的设计理念,设计1款应用于北斗导航终端的小型化2×2阵列天线,尺寸大小只有120mm×120mm。并且制作了实物,实测的结果和仿真很好吻合,各方面的性能指标都满足了设计要求。与传统天线阵列的设计方法相比,该方法的优势在于,可以自由控制阵列中天线单元间的间距,来达到小型化的效果。2、根据能量传输最优化理论,设计了一款用于手持终端的智能天线。设计了一款电压控制电路来给天线阵列提供合适的激励,取代了传统的馈电网络。仿真和实测结果都表明该设计达到了预期的设计要求,可以实现天线的方向图在一定的角度范围的任意的偏转,同时提高了在所需方向上的天线增益。3、借鉴小型化天线阵列的设计方法,采用能量传输最优化方法,设计了一款近场电场赋形天线,并将其应用到智能书架系统中。仿真和实测结果表明,在距天线上方170mm处近场区域内实现电场均匀分布的赋形效果,同时通过RFID系统,可以准确的识别出书架中贴有RFID标签的书本的数目。

关键词：阵列天线小型化智能天线近场赋形

微波无线能量传输系统中的平面透射阵列天线研究

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微波无线能量传输系统中的平面透射阵列天线研究

作者：范雷莉重庆大学

学位级别：硕士

微波无线能量传输（Microwave Wireless Power Transmission,MWPT）技术可将电能以微波的形式从发射端传输到接收端,在向线缆不易架设、电池不易更换的地区供应电能时,具有无可比拟的优势。平面透射阵列天线能够将入射电场（馈源天线入... 详细信息

微波无线能量传输（Microwave Wireless Power Transmission,MWPT）技术可将电能以微波的形式从发射端传输到接收端,在向线缆不易架设、电池不易更换的地区供应电能时,具有无可比拟的优势。平面透射阵列天线能够将入射电场（馈源天线入射到平面透射阵列上的电场）分布调控成期望的辐射电场（接收天线处的电场）分布,可以满足不同MWPT应用场景的需求。本论文的研究旨在设计一种低剖面平面透射单元结构,降低平面透射阵列的重量和体积;进而,以满足MWPT不同应用场景的需求为目标,提出实现单点聚焦、近场赋形的平面透射阵列天线设计方法。本论文主要工作总结如下:（1）低剖面平面透射单元设计。基于广义散射理论,研究平面透射单元的透射系数（透射相位调控范围和透射幅度）与单元结构（金属贴片层数和介质基板层数）之间的关系;分析单元透射系数的变化规律,使用全波仿真结果验证理论研究结果的正确性;设计了一种由两层介质基板、四层金属贴片和一层空气间隙构成的低剖面平面透射单元。（2）单点聚焦平面透射阵列天线设计与实验。基于微波聚焦原理,计算单点聚焦平面透射阵列上各单元的透射相位,确定其与阵列中心单元透射相位之间的关系;研究阵列中心单元透射相位值φ0对聚焦性能的影响,提出了φ0的选取方法;设计单点聚焦平面透射阵列天线,进行全波仿真和实物实验验证。（3）平面透射阵列天线电场分布数学建模。为快速获得平面透射阵列天线电场分布,建立入射电场分布的NFPC（Near Field Principal Cut）数学模型,更加准确地获取了平面透射阵列上的入射电场分布,之后,考虑平面透射阵列上各单元的透射相位以及透射幅度,建立辐射电场分布的数学模型;使用单点聚焦平面透射阵列天线的全波仿真结果验证数学模型的有效性,奠定了近场赋形平面透射阵列优化设计中的参数寻优基础。（4）近场赋形平面透射阵列天线设计与实验。为实现特定形状的辐射电场分布,提出基于生物地理学优化算法的平面透射阵列天线优化方法,对平面透射阵列的透射相位分布进行优化,并根据优化结果获得相应的单元尺寸分布;设计两点聚焦平面透射阵列天线,验证了所提优化方法的有效性;进一步地,设计矩形聚焦平面透射阵列天线,对优化结果进行全波仿真和实物实验验证。

关键词：微波无线能量传输平面透射阵列天线低剖面单点聚焦近场赋形

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三维赋形阵列天线的研究

三维赋形阵列天线的研究

作者：孙舒逸南京信息工程大学

学位级别：硕士

电磁场赋形随着微波热疗技术、近场识别技术、物流管理技术等应用的发展正在受到越来越多的关注。随着功率传输最大化方法的提出和完善,我们已经可以对固定发射天线阵列、接收天线阵列和传输间距的系统进行最优化设计,实现近场的赋形和... 详细信息

电磁场赋形随着微波热疗技术、近场识别技术、物流管理技术等应用的发展正在受到越来越多的关注。随着功率传输最大化方法的提出和完善,我们已经可以对固定发射天线阵列、接收天线阵列和传输间距的系统进行最优化设计,实现近场的赋形和多目标无线输能。本文详述了几种基于功率传输最大化方法的天线设计方法,明确了不同方法分别对应的应用背景。同时对三维空间中的电磁场赋形进行了研究。本文的主要研究内容有:1.首先对几种阵列天线的优化设计方法进行了对比。通过功率传输最大化方法（MMPTE）三种形式,包括UMMPTE,CMMPTE,WMMPTE三种方法,对一款工作于2.45GHz的功率传输系统,应用不同方法实现了不同的应用。选用6×6阵列为发射天线,5单元沿“L”形分布阵列为接收天线阵列。对三种方法对应的功率传输效率,实现的近场赋形效果进行了分析,同时强调了接收天线设计在功率传输系统中的必要性。其中,应用UMMPTE的功率传输系统实现了在固定发射阵列、接受阵列和传输距离的情况下达到传输效率最大;应用WMMPTE的系统实现了五个点离散的能量聚焦,应用CMMPTE设计多目标的无线输能系统有很好的优势;应用CMMPTE的系统则可以应用于对接收天线位置要求不严格的系统,同时可以实现一个平顶的赋形效果。对比传统的设计方法,用本文所述的方法设计阵列天线传输效率更高。2.应用CMMPTE实现三维空间中的电磁场赋形。选用48单元天线作为发射天线阵列。同时我们对测试天线的种类对赋形效果的影响进行了研究,我们发现平面偶极子阵列有更好的灵活度。通过对测试天线的设计并确定加权系数矩阵,实现圆球形和圆柱形的近场电磁场赋形。

关键词：阵列天线近场赋形 MMPTE 馈电网络