宽带SIW天线匹配方法

宽带siw天线匹配方法
技术领域
1.本发明属于天线技术领域，具体涉及一种宽带siw天线匹配方法。


背景技术：

2.天线在所有通信系统中处于最前端(接收机)或者最末端(发射机)，用于实现信号的收发功能，所以天线的性能直接影响着整个通信系统的性能，天线性能的提升将会使整个通信系统的性能得到提升。对于天线，带宽是非常重要的一个性能指标，宽带的天线可以获得较宽的通信频带，宽频带通信意味着可以提高通信容量，可以为用户提供更多的工作频带进行选择，不同的频带实现不同的功能。目前不同的应用场景都有不同的通信协议，对应着不同的通信频带，例如无线局域网、5g通信、4g通信、蓝牙、导航通信等工作在不同频带，如果天线工作在很宽的频带不仅可以同时覆盖多种通信场景还可以节约成本。
3.宽带匹配就是将天线的辐射阻抗z
ant
通过匹配网络阻抗变换后与馈电端口阻抗相匹配，使天线工作在较宽频带。实际的大部分宽带匹配工作就是围绕匹配层设计，对于宽带的匹配层一般是进行多级匹配才能达到更宽的带宽，通过设计匹配层使得变换后得到较好的阻抗，使得宽频带内的天线阻抗经过匹配层变换后与端口阻抗相匹配。从电路角度考虑，所有的宽带阻抗匹配层都可以等效为一个由电感电容电阻组成的匹配电路；与射频宽带匹配电路不同的是，天线的匹配层等效电路每个元件值和频率相关。
4.天线的宽带匹配大部分通过宽带匹配层来实现。现有宽带匹配层的优化设计一般依赖全波仿真软件进行参数扫描或者优化：确定好匹配层的结构以及结构的关键参数，通过全波仿真软件将关键参数进行扫参或优化，直到找到一个满意的结果，对于结构复杂且关键尺寸较多的模型动辄优化几十个小时，该方法耗时长，优化效率低。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了实现siw天线宽带阻抗匹配，减少优化时间提高优化效率，提供一种宽带siw天线匹配方法。
6.本发明所提出的技术问题是这样解决的：
7.一种宽带siw天线匹配方法，包括以下步骤：
8.步骤1.配置siw天线的宽带阻抗匹配层
9.siw天线为空心基片集成波导，无介质填充，上表面金属壁上横向开槽用于辐射；在siw天线后级联宽带阻抗匹配层，宽带阻抗匹配层包括依次级联的n/2个单元，每个单元包括依次级联的波导传输线和匹配支节，n/2为正整数；波导传输线为厚度和宽度与siw天线相同的波导；匹配支节包括波导段和两个金属支节，波导段为一段厚度和宽度与siw天线相同的波导；两个金属支节位于波导段内部，关于波导段的中心对称，与波导段侧壁紧密贴合；
10.步骤2.将工作频带划分为1001个等间距频点，利用电磁仿真软件仿真得到siw天线在1001个等间距频点的端口反射系数γ
ant
；
11.将金属支节长度i作为扫参变量，扫描范围为0-10mm，扫描步进为0.05，对各金属支节长度i对应的匹配支节的s参数进行扫描仿真，得到匹配支节s参数的数据集，即201个等间距金属支节长度及1001个等间距频点对应的匹配支节的s参数；
12.步骤3.利用遗传算法对1001个等间距频点的级联有宽带阻抗匹配层的siw天线的s参数进行优化，遗传算法中的优化变量设定为金属支节长度i和波导传输线的长度；
13.遗传算法中的目标函数obj设定为：
[0014][0015]
其中，
[0016][0017]
其中，表示第m个等间距频点的级联有宽带阻抗匹配层的siw天线的端口反射系数，1≤m≤1001；
[0018]
遗传算法中截止条件设定为：目标函数obj＝0。
[0019]
进一步的，步骤1中，匹配支节中波导段长度为λ/5。
[0020]
进一步的，步骤1中，空心基片集成波导的厚度a为3mm，宽度b为25.16mm；开槽长度c为18.88mm，开槽宽度e为2.52mm，开槽长边与波导短路端的距离d为6.32mm，开槽长边与波导端口的距离f为2mm；金属支节的厚度a为3mm，宽度g为2mm，两侧与匹配支节边缘的间距h为2mm。
[0021]
进一步的，步骤3中，级联有宽带阻抗匹配层的siw天线的端口反射系数的求解过程为：
[0022][0023][0024]
…
[0025][0026][0027]
其中，表示第m个等间距频点的级联有n个二端口网络的siw天线的端口反射系数，1≤n≤n；和分别第n个二端口网络的表示s11、s12、s21和s22值；当n为奇数时，第n个二端口网络为宽带阻抗匹配层中第(n+1)/2个单元中的波导传输线；当n为偶数时，第n个二端口网络为宽带阻抗匹配层中第n/2个单元中的匹配支节。
[0028]
进一步的，步骤3中，波导传输线的s参数求解过程为：
[0029]
根据当前迭代次数中的波导传输线的长度计算二端口网络的s参数：
[0030][0031][0032][0033][0034]
其中，a、b、c和d分别表示当前迭代次数中的波导传输线对应的abcd矩阵：
[0035]
a＝cos(βl)
[0036]
b＝jz
0 sin(βl)
[0037]
c＝jy
0 cos(βl)
[0038]
d＝cos(βl)
[0039]
其中，l表示当前迭代次数中的波导传输线的长度，β表示传输常数，表示特征阻抗，k表示波数，η表示特征波阻抗，y0表示特征导纳。
[0040]
进一步的，步骤3中，匹配支节的s参数求解过程为：
[0041]
利用金属支节长度i和扫描参数仿真得到的匹配支节的s参数计算当前迭代次数中匹配支节的s参数；若当前迭代次数中金属支节长度i值属于匹配支节s参数的数据集，则直接调用匹配支节s参数的数据集中金属支节长度i值对应的匹配支节的s参数；否则，计算匹配支节的s参数：
[0042]
在扫参数据集中与当前迭代次数中金属支节长度i值最接近的两个金属支节长度值分别记为l1和l2且l2》l1，当前迭代次数中金属支节长度i值对应的匹配支节的s参数为：
[0043][0044][0045][0046][0047]
其中，s
11
(i)、s
12
(i)、s
21
(i)和s
22
(i)分别表示当前迭代次数中金属支节长度i值对应的匹配支节的s11、s12、s21和s22值；s
11
(l1)、s
12
(l1)、s
21
(l1)和s
22
(l1)分别表示金属支节长度l1对应的匹配支节的s11、s12、s21和s22值；s
11
(l2)、s
12
(l2)、s
21
(l2)和s
22
(l2)分别表示金属支节长度l1对应的匹配支节的s11、s12、s21和s22值；
[0048]
本发明的有益效果是：
[0049]
本发明所述方法在siw天线后级联由若干匹配支节和波导传输线组成的宽带阻抗
匹配层，并基于级联二端口网络理论计算级联匹配支节以及波导传输线后的端口反射系数，最后通过遗传算法进行目标频带的阻抗匹配优化。本发明所述方法进行宽带阻抗匹配优化耗时仅需几分钟，提高了优化效率。
附图说明
[0050]
图1为本发明所述方法中siw天线的结构示意图；
[0051]
图2为本发明所述方法中匹配支节的结构示意图；
[0052]
图3为本发明所述方法中级联有宽带阻抗匹配层的siw天线的等效网络示意图；
[0053]
图4为实施例所述方法中级联有宽带阻抗匹配层的siw天线的结构尺寸示意图；
[0054]
图5为实施例优化得到的端口反射系数与实际cst仿真得到的端口反射系数对比图；
[0055]
图6为本发明所述方法的流程示意图。
具体实施方式
[0056]
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
[0057]
本实施例提供一种宽带siw天线匹配方法，在siw天线后级联若干个宽带阻抗匹配层，宽带阻抗匹配层包括匹配支节和波导传输线；基于级联二端口网络理论计算级联匹配支节以及波导传输线后的端口反射系数，通过遗传算法进行频带的阻抗匹配优化。
[0058]
本实施例所述方法具体包括以下步骤：
[0059]
步骤1.配置siw天线的宽带阻抗匹配层
[0060]
siw天线的结构示意图如图1所示，为空心基片集成波导，无介质填充，上表面金属壁上横向开槽用于辐射；在siw天线后级联宽带阻抗匹配层，宽带阻抗匹配层包括依次级联的若干个单元，每个单元包括依次级联的波导传输线和匹配支节；波导传输线为厚度和宽度与siw天线相同的波导；匹配支节的结构示意图如图2所示，包括波导段和两个金属支节，波导段为一段厚度和宽度与siw天线相同的波导，长度为λ/5；两个金属支节位于波导段内部，关于波导段的中心对称，与波导段侧壁紧密贴合；
[0061]
本实施例中，波导的厚度a为3mm，宽度b为25.16mm；开槽长度c为18.88mm，开槽宽度e为2.52mm，开槽长边与波导短路端的距离d为6.32mm，开槽长边与波导端口的距离f为2mm；金属支节的厚度a为3mm，宽度g为2mm，长度i为变量，两侧与匹配支节边缘的间距h为2mm。
[0062]
步骤2.在商业电磁仿真软件cst内，将工作频带划分为1001个等间距频点，仿真得到siw天线在1001个等间距频点的端口反射系数γ
ant
；
[0063]
为了后续拟合未知长度的匹配支节的s参数，需扫描参数搜集匹配支节s参数的数据集，将金属支节长度i作为扫参变量，扫描范围为0-10mm，扫描步进为0.05，得到201个等间距金属支节长度及1001个等间距频点对应的匹配支节的s参数。
[0064]
步骤3.利用遗传算法对1001个等间距频点的级联有宽带阻抗匹配层的siw天线的s参数进行优化，遗传算法中的优化变量设定为金属支节长度i和波导传输线的长度；
[0065]
遗传算法中的目标函数的设定过程为：
[0066]
级联二端口网络的端口反射系数γ
in
为：
[0067][0068]
其中，和为二端口网络的s11、s12、s21和s22值，γ为级联二端口网络的一端口网络的端口反射系数；
[0069]
本实施例中，宽带阻抗匹配层包括依次级联的3个单元，即siw天线后级联的二端口网络包括3节波导传输线和3个匹配支节；
[0070]
级联有宽带阻抗匹配层的siw天线的等效网络示意图如图3所示，在siw天线后级联6个二端口网络；
[0071]
根据级联二端口网络的端口反射系数求解公式计算级联有宽带阻抗匹配层的siw天线的端口反射系数γ6：
[0072][0073]
…
[0074][0075][0076]
遗传算法中的目标函数为：
[0077][0078][0079]
其中，为第m个等间距频点的γ6值；
[0080]
对于波导传输线，根据当前迭代次数中的波导传输线的长度计算二端口网络的s参数：
[0081][0082][0083][0084][0085]
其中，a、b、c和d分别表示当前迭代次数中的波导传输线对应的abcd矩阵：
[0086]
a＝cos(βl)
[0087]
b＝jz
0 sin(βl)
[0088]
c＝jy
0 cos(βl)
[0089]
d＝cos(βl)
[0090]
其中，l表示当前迭代次数中的波导传输线的长度，β表示传输常数，表示特征阻抗，k表示波数，η表示特征波阻抗，y0表示特征导纳。
[0091]
对于匹配支节，利用金属支节长度i和扫参得到的匹配支节的s参数计算当前迭代次数中匹配支节的s参数；若当前迭代次数中金属支节长度i值属于扫参数据集，则直接调用扫参数据集中金属支节长度i值对应的匹配支节的s参数；否则，利用插值拟合计算匹配支节的s参数；
[0092]
利用插值拟合计算匹配支节的s参数的具体过程为：
[0093]
在扫参数据集中与当前迭代次数中金属支节长度i值最接近的两个金属支节长度值分别记为l1和l2且l2》l1，当前迭代次数中金属支节长度i值对应的匹配支节的s参数为：
[0094][0095][0096][0097][0098]
遗传算法中截止条件设定为：目标函数obj＝0。
[0099]
本实施例中，各迭代计次数中计算目标函数时，遗传算法首先会给定六个优化变量的值，然后按照图3模型计算级联有宽带阻抗匹配层的siw天线的端口反射系数γ6。若某一频点端口反射系数小于0.3，则令该频点对应判决后目标函数值为0；若该频点端口反射系数大于0.3，则该频点判决后的目标函数值为判决前端口反射系数值与0.3之差；最终目标函数值为所有频点端口反射系数判决后的目标函数值相加。遗传算法根据迭代结果改变变量值来优化目标函数，当目标函数为0时优化完成。
[0100]
本实施例天线工作频带为7.7-10.5ghz，优化后siw天线模型如图4所示，其中第一匹配支节长度i1为5.22mm，第二匹配支节长度i2为4.46mm，第三匹配支节长度i3为3.09mm，第一段波导传输线的长度l1为3.05mm，第二段波导传输线的长度l2为10.85mm，第三段波导传输线的长度l3为9.34mm。
[0101]
优化得到的端口反射系数与实际cst计算得到的端口反射系数对比图如图5所示，其中s11_ant表示宽带阻抗匹配前siw开槽天线端口反射系数，s11_3stub_opt表示通过遗传算法优化得到的端口反射系数，s11_3stub_cst表示将优化后得到的尺寸通过cst建模计算得到的端口反射系数，从图5可以看出带宽拓展效果明显且优化结果与cst计算结果吻合度较高。
[0102]
本发明所述方法的流程示意图如图6所示，本次优化在cpu为intel(r)core(tm)i5-10400(r)，cpu频率为2.9ghz,内存为32gb的台式机上进行，本次优化耗时515秒，优化时
间大幅降低，优化效率较高。

技术特征：
1.一种宽带siw天线匹配方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1.配置siw天线的宽带阻抗匹配层siw天线为空心基片集成波导，无介质填充，上表面金属壁上横向开槽用于辐射；在siw天线后级联宽带阻抗匹配层，宽带阻抗匹配层包括依次级联的n/2个单元，每个单元包括依次级联的波导传输线和匹配支节，n/2为正整数；波导传输线为厚度和宽度与siw天线相同的波导；匹配支节包括波导段和两个金属支节，波导段为一段厚度和宽度与siw天线相同的波导；两个金属支节位于波导段内部，关于波导段的中心对称，与波导段侧壁紧密贴合；步骤2.将工作频带划分为1001个等间距频点，利用电磁仿真软件仿真得到siw天线在1001个等间距频点的端口反射系数γ
ant
；将金属支节长度i作为扫参变量，扫描范围为0-10mm，扫描步进为0.05，对各金属支节长度i对应的匹配支节的s参数进行扫描仿真，得到匹配支节s参数的数据集，即201个等间距金属支节长度及1001个等间距频点对应的匹配支节的s参数；步骤3.利用遗传算法对1001个等间距频点的级联有宽带阻抗匹配层的siw天线的s参数进行优化，遗传算法中的优化变量设定为金属支节长度i和波导传输线的长度；遗传算法中的目标函数obj设定为：其中，其中，表示第m个等间距频点的级联有宽带阻抗匹配层的siw天线的端口反射系数，1≤m≤1001；遗传算法中截止条件设定为：目标函数obj＝0。2.根据权利要求1所述的宽带siw天线匹配方法，其特征在于，步骤1中，匹配支节中波导段长度为λ/5。3.根据权利要求1所述的宽带siw天线匹配方法，其特征在于，步骤1中，空心基片集成波导的厚度a为3mm，宽度b为25.16mm；开槽长度c为18.88mm，开槽宽度e为2.52mm，开槽长边与波导短路端的距离d为6.32mm，开槽长边与波导端口的距离f为2mm；金属支节的厚度a为3mm，宽度g为2mm，两侧与匹配支节边缘的间距h为2mm。4.根据权利要求1所述的宽带siw天线匹配方法，其特征在于，步骤3中，级联有宽带阻抗匹配层的siw天线的端口反射系数的求解过程为：的求解过程为：
…
其中，表示第m个等间距频点的级联有n个二端口网络的siw天线的端口反射系数，1≤n≤n；和分别第n个二端口网络的表示s11、s12、s21和s22值；当n为奇数时，第n个二端口网络为宽带阻抗匹配层中第(n+1)/2个单元中的波导传输线；当n为偶数时，第n个二端口网络为宽带阻抗匹配层中第n/2个单元中的匹配支节。5.根据权利要求4所述的宽带siw天线匹配方法，其特征在于，步骤3中，波导传输线的s参数求解过程为：根据当前迭代次数中的波导传输线的长度计算二端口网络的s参数：根据当前迭代次数中的波导传输线的长度计算二端口网络的s参数：根据当前迭代次数中的波导传输线的长度计算二端口网络的s参数：根据当前迭代次数中的波导传输线的长度计算二端口网络的s参数：其中，a、b、c和d分别表示当前迭代次数中的波导传输线对应的abcd矩阵：a＝cos(βl)b＝jz0sin(βl)c＝jy0cos(βl)d＝cos(βl)其中，l表示当前迭代次数中的波导传输线的长度，β表示传输常数，表示特征阻抗，k表示波数，η表示特征波阻抗，y0表示特征导纳。6.根据权利要求4所述的宽带siw天线匹配方法，其特征在于，匹配支节的s参数求解过程为：利用金属支节长度i和扫描参数仿真得到的匹配支节的s参数计算当前迭代次数中匹配支节的s参数；若当前迭代次数中金属支节长度i值属于匹配支节s参数的数据集，则直接调用匹配支节s参数的数据集中金属支节长度i值对应的匹配支节的s参数；否则，计算匹配支节的s参数：在扫参数据集中与当前迭代次数中金属支节长度i值最接近的两个金属支节长度值分别记为l1和l2且l2>l1，当前迭代次数中金属支节长度i值对应的匹配支节的s参数为：
其中，s
11
(i)、s
12
(i)、s
21
(i)和s
22
(i)分别表示当前迭代次数中金属支节长度i值对应的匹配支节的s11、s12、s21和s22值；s
11
(l1)、s
12
(l1)、s
21
(l1)和s
22
(l1)分别表示金属支节长度l1对应的匹配支节的s11、s12、s21和s22值；s
11
(l2)、s
12
(l2)、s
21
(l2)和s
22
(l2)分别表示金属支节长度l1对应的匹配支节的s11、s12、s21和s22值。

技术总结
本发明公开了一种宽带SIW天线匹配方法，属于天线技术领域。本发明所述方法在SIW天线后级联由若干匹配支节和波导传输线组成的宽带阻抗匹配层，并基于级联二端口网络理论计算级联匹配支节以及波导传输线后的端口反射系数，最后通过遗传算法进行目标频带的阻抗匹配优化。本发明所述方法进行宽带阻抗匹配优化耗时仅需几分钟，提高了优化效率。提高了优化效率。提高了优化效率。


技术研发人员：王任 黄浩 王军松 王秉中
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2023.04.17
技术公布日：2023/7/13