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分形及PBG理论用于MEMS可重构天线研究

作　者: 单福琪
导　师: 高葆新；张雪霞
学　校: 清华大学
专　业: 电子科学与技术
关键词: 分形天线光子带隙电磁带隙 MEMS 可重构天线
分类号: TN820
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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引　用: 3次
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内容摘要

本论文综合研究了分形天线、PBG 的优化分析理论、分形形式 PBG结构和 MEMS 可重构天线等问题。针对目前用于天线设计的分形结构有限的问题,提出了标准化的分形结构生成法,是系统化研究分形结构有力的数学工具。论文中以正方形作为基本图形,采用标准化的分形结构生成法,得到了相似维度大于 1 的共计 80 种分形结构。其中不仅包含整数维度的传统天线设计的几何图形,如正方形、直线,也包含了已经广泛用于分形天线和天线阵列研究的部分重要分形,如 Sierpinski carpet、Cantor Set 等结构。研究选择了 12 类共计24 种不同形式的分形结构用于制作分形贴片天线,得到众多具有电小特性或双频(多频)特性的天线,验证了分形结构用于天线拓扑设计的优点。论文中还分析了一种对数周期类的贴片天线,验证了对数周期结构用于驻波天线的可行性。提出了一种有效的 PBG 的优化理论:基于 S 参数的 PBG 结构分步优化方法(SOC 方法)。SOC 方法揭示了 PBG 特性的形成与单元 S 参数及单元间距之间的联系,提供了采用任意单元构成性能最佳的 PBG 结构的解决方案,对于 PBG 的优化设计有强的指导性。与 SOC 方法相结合的 PBG的群理论是 PBG 优化设计理论的另一有益补充。探索研究了新型的分形类的 PBG 结构,构造了单元仅为 1/8 介质波长的阿基米德双螺线和双臂渐开型螺线 PBG 结构,性能优良而结构极为紧凑,是一维半结构中整体尺寸最小,性能最好的一类 PBG 结构,具有很强的应用价值。设计制作了可工作于 34.11GHz、32.09GHz、33.13GHz 和 36.20GHz四个不同频率的双 MEMS 开关控制的频率可重构天线。将 RIDSS-PBG 结构成功应用于此天线系统,有效抑制了射频信号从开关控制电路的泄漏。

全文目录

第1章引言  10-19
  1.1 论文背景  10-11
  1.2 光子带隙（PBG）和电磁带隙（EMBG）  11-12
  1.3 分形结构用于微波电路设计  12-15
  1.4 RF-MEMS 和MEMS 天线  15-18
  1.5 论文研究思路和结构  18-19
第2章分形天线系列研究  19-52
  2.1 本章引言  19
  2.2 标准化分形生成法  19-31
    2.2.1 分形、相似维度  20-21
    2.2.2 自相似的一般定义  21-22
    2.2.3 自相似集的标准化分形生成法  22-23
    2.2.4 标准化分形生成法用于正方形初始集  23-24
    2.2.5 正方形初始集的分形标准命名法  24-25
    2.2.6 N=3，DS≥1 的全部分形结构  25-31
  2.3 分形天线系列特性研究  31-45
    2.3.1 采用的分形天线的拓扑和制作  31-32
    2.3.2 测试条件及简要测试结果  32
    2.3.3 M0000 分形天线（普通正方形贴片天线）特性  32-33
    2.3.4 M0127 分形天线特性  33-40
    2.3.5 M1379 分形天线（Vicsek 天线）特性  40-43
    2.3.6 实验结果汇总  43-45
  2.4 对数周期驻波天线研究  45-51
    2.4.1 采用的对数周期天线结构和仿真设定  46
    2.4.2 正方形普通贴片天线的结构和仿真结果  46-47
    2.4.3 缩放比例r=1.1 时的仿真结果  47-48
    2.4.4 缩放比例r=1.2 时的仿真结果  48-49
    2.4.5 缩放比例r=1.3 时的仿真结果  49-50
    2.4.6 天线的电流分布  50-51
  2.5 本章小结  51-52
第3章 PBG 的优化分析理论研究  52-78
  3.1 本章引言  52-54
    3.1.1 PBG 的一般性理论分析  52-53
    3.1.2 PBG 优化分析理论的两个重要方向  53-54
  3.2 基于S 参数的PBG 分步最优化方法SOC（S-PARAMETERS BASED STEP OPTIMUM CONFIGURATION METHOD）  54-61
    3.2.1 一个基本形式  54-55
    3.2.2 分步最优化方法  55-56
    3.2.3 SOC 方法是给定单元次序的全局最优化方法的证明  56-57
    3.2.4 S 参数中辐角对于 PBG 特性和结构的影响  57-59
    3.2.5 S 参数的模值对于 PBG 特性和结构的影响  59-61
    3.2.6 符合SOC 方法的距离紧凑型PBG 的一般性条件  61
  3.3 SOC 方法的应用  61-70
    3.3.1 SOC 方法用于简单PBG 单元  62-65
    3.3.2 SOC 方法用于 RIDSS 和 SRS 结构  65-68
    3.3.3 SOC 优化极限曲线（族）  68-69
    3.3.4 采用SOC 方法使用不同单元构成 PBG  69-70
  3.4 基于 S 参数的PBG 的群理论研究初步  70-76
    3.4.1 一维情况  70-71
    3.4.2 一维半情况  71-76
  3.5 本章小结  76-78
第4章分形类PBG 特性研究  78-96
  4.1 本章引言  78
  4.2 阿基米德双螺线PBG  78-87
    4.2.1 一单元 Archimedean 双螺线-I/II 的 S 参数  79-81
    4.2.2 Archimedean 双螺线-I 特性与单元数目的关系  81-83
    4.2.3 Archimedean 双螺线-II 特性与单元数目的关系  83-84
    4.2.4 Archimedean 双螺线-I 单元间距对S 参数的影响  84-85
    4.2.5 三单元对称Archimedean 双螺线的禁带特性  85-87
  4.3 RIDSS-PBG 结构  87-95
    4.3.1 RIDSS-PBG 的禁带特性  87-90
    4.3.2 RIDSS-PBG 的禁带特性与其结构参量之间的关系  90-91
    4.3.3 RIDSS-PBG 结构的一些变化形式  91-95
  4.4 本章小结  95-96
第5章可重构MEMS 天线研究  96-108
  5.1 本章引言  96-97
  5.2 用于 MEMS 可重构天线的串联开关  97-98
  5.3 双开关频率可重构天线  98-106
    5.3.1 双开关 MEMS 天线  98-100
    5.3.2 双开关成比例模型天线的制作和测试  100-106
  5.3 本章小结  106-108
第6章结论  108-111
参考文献  111-120
致谢  120-121
附录A 分形天线系列研究实验结果  121-151
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  151-152

分形及PBG理论用于MEMS可重构天线研究

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