一种天线参数优化方法

本发明涉及一种优化方法，具体为一种天线参数优化方法，属于车载天线。

背景技术：

1、近年来，随着5g技术、高端集成电路技术、车联网技术的迅猛发展，高性能的车载天线已经成为研究热门。值得注意的是，汽车上集成了越来越多不同功能的天线。然而，对于mimo车载天线而言，汽车的整体大小是固定不变的，由于要在有限的车体内占用尽可能少的空间来集成多天线，每个天线单元的间距要尽可能地小。在这个狭小的空间里，天线元件之间存在着“耦合效应”，这是mimo系统中不可避免的问题。

2、对于车载终端中使用的天线系统，具有小型化、宽频带/多频点和优异辐射性能的特性是天线必不可少的。由于汽车的整体轮廓和外观基本确定，为了不影响汽车的观赏性和驾驶安全性，车载天线的整体尺寸和安装位置有严格的限制。因此，设计小型化车载天线是势在必行的。为了满足多种智能化应用的要求，要求车载天线需要用少量的具有很宽的工作带宽的天线或同时工作在多个频段的天线来实现多个智能化应用。由于车辆安装物理尺寸的限制导致天线元件之间的互耦效应，这会损害多天线系统的隔离度。因此，如何在系统接收端和发送端有限的空间中，抑制多个天线单元之间的互耦，从而保证足够小的相关性，是车载网通信系统需要重点解决的问题。

3、综上所述，随着5g技术、高端集成电路技术应用于车联网已经势在必行，设计出小型多频段去耦天线系统，并考虑各个天线之间的耦合度十分必要。

技术实现思路

1、(一)解决的技术问题

2、本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种天线参数优化方法，以解决现有技术中如何在系统接收端和发送端有限的空间中，抑制多个天线单元之间的互耦，从而保证足够小的相关性的问题。

3、(二)技术方案

4、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种天线参数优化方法，具体包括以下步骤：

5、步骤一：搜集资料并分析车载天线的小型化、多频段设计方法，揭示这些技术的潜在优点和缺点；详细讨论用于降低耦合的现有技术，总结采用解耦技术带来的效果；讨论特征模分析法、遗传算法等智能优化算法在圆极化天线设计、宽带和多频段天线设计、mimo天线设计等方面的应用，试图为方案中5g车联网应用领域中mimo无线系统设计提供思路；

6、步骤二：设计三款天线几何结构，即面向5g车联网的宽频带去耦天线对；具有高隔离度的紧凑型双陷波车载mimo天线和双频带双圆极化车载天线。利用hfss软件进行天线仿真及参数分析，评估天线性能能否满足设计要求；

7、步骤三：以所设计的宽频带去耦天线对为分析对象，根据特征模分析特征值所对应的谐振频率以及天线的特征电流分布来分析天线，并根据电流分布特点对天线结构进行改进，达到扩展带宽和偏移谐振点的目的。搭建改进的遗传算法模型，并使用matlab和hfss联合仿真对天线完成寻优过程及结果对比；

8、步骤四：分析车载天线设计中的小型化、多频段、去耦合等可能的实现方法，分析特征模分析方法、遗传算法改进后在天线设计中的应用，为后续车载天线系统的设计奠定基础，其车载天线的整体设计思路如下所示，第一步先对介质基片进行选择，第二步接着对辐射贴片进行选择，第三步确定天线的集合结构，第四步对天线仿真与参数进行分析，第五步评估天线性能是否满足需求(ecc、辐射方向图、s参数等)，如果不满足要求，则重新确定天线几何结构，如果满足要求则进行制作实物并进行测试。

9、优选地，对车载天线进行小型化改进，车载天线的实现小型化方法按照原理主要分为以下三种，第一种是通过改变电流的流经长度，使天线的有效长度增加，实现天线的小型化，即所谓曲流技术；第二种是通过改变电流分布情况，改变天线表面电流加载情况，实现天线的小型化，即通过使用加载技术实现；此外，还可以通过使用高介电常数的介质基板来减小天线尺寸，本方案采用的是第一种方法和第二种方法。

10、优选地，对车载天线进行多频化改进，在车载天线中实现多频化的方法可以按照原理分为两种，第一种是通过改变天线表面电流的方法进行天线多频化；第二种方法是通过添加新的谐振结构的方法实现天线多频化两种方法，本方案采用两种方式相结合实现天线多频化。

11、优选地，对车载天线进行去耦改进，针对不同的天线种类之间，天线的去耦合方式也不相同，主要依据原理分为隔离去耦、优化布局与对消去耦三种。隔离去耦是通过在天线之间的耦合路径上加入某种阻止表面波在一定距离内传播的谐振结构，从而阻断两个天线之间耦合。一般通过带阻滤波的方式实现，主要的应用手段是通过缺陷地的方式实现；优化布局去耦主要通过两种手段实现，第一种是通过加大两个天线之间的距离，从而减小天线之间的耦合；第二种是在mimo天线系统中通过采用极化分集的方式将mimo天线单元垂直放置，使两个天线接收信号的方向互相垂直，从而实现天线空间波减小达到去耦效果；对消去耦的原理是在原有的天线场间引入耦合场，通过添加新的耦合场对原有天线场之间的耦合进行抵消，一般通过引入某种谐振结构进行引入外加耦合场消除两个天线之间的耦合，由于其设计更方便简单，故在天线去耦中广泛应用。本方案采用上述三种去耦方式增强天线间的隔离。

12、优选地，为了更好地了解天线的工作原理以及进行天线设计优化，可以通过feko软件特征模分析来进行天线的设计，特征模分析在车载天线中的应用主要有以下三个方面：通过特征模分析天线结构；通过特征模分析地板结构；通过特征模正交性的分析，来进行mimo阵列天线的优化。在本方案中主要依据特征模分析天线结构，以所设计的宽频带去耦天线对为分析对象，根据特征模分析对天线结构进行改进，达到扩展带宽的目的。

13、优选地，与自然中的物种进化相对应，遗传算法的操作对象是一个由m个个体所组成的集合，将该集合命名为种群。每一代种群在事先设定的遗传操作下会按照优劣将个体排序并将尽可能多的优秀个体保留到下一代种群。遗传算法能够全局搜索，在搜索的过程中会自动以优胜劣汰的原则执行选择。主要由寻优过程组成：选择，交叉，变异。对于遗传算法优化天线来说，最为重要的就是确定遗传算法所搜寻的是天线的哪一个特性。对于本方案对微带天线的优化来说，考虑散射参数中的sii，即取得回波损耗sii最小值即可。sii代表天线负载阻抗不匹配时所考虑的参数，一般情况下，当满足式：20logsii|＜-10db时，即可说明在该频段内，微带天线可以正常工作，并且回波损耗数值sii越小，说明效果越好。

14、优选地，方案的优化目标函数取回波损耗最小值，由于本方案所优化的天线有多个工作频段，因此需要考虑不同工作频段的回波损耗数值均能达到工作要求。在搜索频段内，本方案所优化天线的适应度值用式：求出，基础遗传算法寻优的过程中，存在早熟问题，即种群进化繁衍的过程中过早地陷入一个局部极值中，使得进化停滞不前，得不到全局最优解的现象，影响天线的优化效果和进度。因此，本方案引入灾变算子、自适应交叉变异概率和最优个体保留原则，在传统遗传算法的基础上提出算法改进。

15、本发明提供了一种天线参数优化方法，其具备的有益效果如下：

16、1、该天线参数优化方法，依据车载天线的传统设计方法及智能算法相结合，设计一款面向5g车联网的宽频带去耦天线对，并采用立体结构交叉放置，增强工作带宽的同时实现良好的隔离度；设计一款能够覆盖大信号和频段良好隔离性强的双频带双圆极化天线，利用其半球波辐射特性以保证基站能够在各个角度接收到车载天线发射的信号；设计具有高隔离度的紧凑型双陷波车载mimo天线，在保证天线的工作频段能覆盖5g多频段的前提下，维持天线结构的紧凑性、高隔离性和双陷波特性。

17、2、该天线参数优化方法，基于特征模态理论(cma)，通过对车载天线结构电流特性分布的观测，重点优化车载天线结构中电流敏感部分，为激发谐振点或修改谐振点提供了一种有效的方法。

18、3、该天线参数优化方法，基于改进的遗传算法优化mimo车载天线阵列，并使用matlab和hfss联合仿真对天线的关键尺寸、天线的介质基板的材料尺寸和散射参数完成寻优过程，使其在不改变天线原有设计的基础上通过调节参数使阻抗重新匹配。

19、4、该天线参数优化方法，除了采用多重缺陷接地结构(dgs)以外，还利用带阻滤波型去耦结构进行隔离增强，所设计的去耦结构可独立于天线单独设计，其可调节参数多，在不同的应用中，可以灵活地改变参数达到不同频段的去耦效果。

20、5、该天线参数优化方法，采用fpc柔性板制作mimo车载天线，使其车载天线更易弯曲后安装于狭小空间，满足车载天线小型化设计的要求。