第一篇：可重构天线研究
可重构天线设计
近年来，无线通信技术得到飞速发展，系统对天线性能的要求越来越高。大容量、多功能、超宽带是目前无线通信系统发展的重要方向，为了提高系统容量，下一代无线通信将更多的考虑采用MIMO技术。MIMO技术指的是利用多个发射天线和多个接收天线进行无线传输的技术，在分集技术出现后多径效应在MIMO系统中作为一个有利因素被加以利用，从而改善了每一个用户的服务质量及提高了频谱利用率。但是，随着使用天线数目的增加，通信系统的整体成本和重量也随之增加，而且会带来电磁兼容方面的问题，使得MIMO技术实现的复杂度和成本大幅度增高，不能充分发挥其技术优势。技术相对成熟的相控阵天线又存在馈电网络复杂、需增加移相器以及由此造成的高成本和高技术难度等缺点。可重构天线在这种背景下应运而生。
可重构天线就是采用同一个天线或天线阵，通过引入开关器件控制天线的辐射结构来实现工作模式的转换，使其具有多个天线的功能。这种天线能够根据应用需求改变其关键特性参数，如工作频率、辐射方向图、极化方式、雷达散射截面和输入阻抗等，具有不用人工干预，便于控制等特点。可重构天线为天线技术的发展带来了一次革命，为提高无线通信系统容量、扩展系统功能、增加系统工作带宽、实现软件无线电等方面提供重要的技术保障，将对无线通信技术带来深远的影响。
可重构天线按照功能可分为频率可重构天线、方向图可重构天线、频率和方向图同时可重构天线、极化可重构天线等。方向图是天线的一个重要特性，在军民用雷达、智能武器制导、无线通信等系统中要求天线具有方向图可控性，因此，方向图可重构天线是可重构天线研究的重要方向。
1可重构天线基本原理
天线设计是一个很复杂的电磁问题, 虽然天线的种类形形色色, 但其本质归根到底就是设计一个具有特定电流分布的辐射体。天线所要求的各个参数都是由其辐射体或包围辐射体的封闭面上的电流分布决定的。可重构天线作为一种新型的天线, 之所以可以重构天线的参数、具有可切换的不同的工作模式, 其本质也就是通过改变天线的结构进而改变天线的电流分布来实现的。因此, 可重构天线的设计需要高效的电磁分析手段, 而不是等同于多个传统天线的简单叠加。目前在可重构天线设计的电磁分析中广泛使用的方法有: 时域有限差分法(FDTD)、有限元法(FEM)、边界元法(BEM)、矩量法(MOM)等。特别是FDTD, 由于它具有建模容易、计算时间短、对电磁特性模拟精确等优点, 因此在可重构天线的设计中有很大的应用价值。
2频率可重构天线
理想的频率可重构天线指的是保持天线其他特性不变，在一定范围内具有对频率的调谐或切换能力的大线。重构天线工作频率的方法有：加载开关，加载可变电抗元件，改变天线机械结构，以及改变天线的材料特性。这些方法都依据相同的工作原理:改变大线的有效电长度从而使相应的L作频率发生变化。
线天线，环天线，缝隙天线和微带天线都属于谐振天线。对于这些类型的大线而言，天线的有效电长度主要决定了天线的工作频率、带宽(分数带宽一般不超过10%，常见数值在1%到3%之间)和天线上的电流分布。比如，对于传统的线性双极大线，一阶谐振发生在天线长度接近半个波长处，这时天线表面的电流分布导致了水平全向的辐射模式。因此，如果我们希望使该天线工作于更高的频率，我们可以缩短双极天线的长度，而这个长度对应于改变后的工作频率的半个波长，这样便达到了频率重构的目的。以上准则不仅对于双极大线成立，也同样适用于环天线、缝隙天线和微带天线。
2.1开关可重构
天线的有效电长度可以通过加载开关的方法加以控制改变，从而达到重构天线频率的目的，比如光学开关，PIN二极管开关，FET开关，以及射频为电子机械系统——MEMS开关等。据文献中介绍，光学开关相对于其他类型的开关，有助于减少开关数量并且降低开关偏置线的影响。
2.2加载可变电抗
加载可变电抗元件的重构方式与加载开关的重构方式基本相同，两者的区别只在于，前者能够在一定范围内实现对频率的离散切换，后者则可以在儿个频率之间进行连续调谐。
文献中一种连续调谐微带贴片天线，就是在天线的两辐射边分别加载变容一极管。变容管的反偏电压范围在0到30V之间，对应其电容值可以从24连续变化至0.4pF。随着偏置电压的改变，加载贴片边缘的电容值对天线的有效电长度进行调谐，由此可获得一个大带宽连续频率调谐范围。
2.3改变机械结构
相对于电重构方式，采用机械方式重构天线结构能够获得更大的频率变化，不论是在开关离散重构还是连续变化重构的情况下。这种重构方式的主要挑战在于天线的物理设计，激励机制，以及在结构发生巨大的变化的同时对天线其他特性性状的保持上。一种通过机械结构变化而连续调谐天线频率的的例子是一个磁制动微带天线。天线工作于26GHz附近。在天线表面附着一层很薄的磁材料，天线的辐射片与介质基片构成一定的角度.利用一种被称为塑料变形组装的微机械加工过程，对该天线施加外加的DC磁场可以使粘合在基片上的弯折塑料部分变形，从而导致辐射贴片与基片的夹角发生变化。角度上小的改变会导致工作频率的变化而保持辐射特性无明显变化;而大的角度变化则在改变工作频率的同时，使天线的辐射方向图也发生明显的改变。特别是当贴片与水平基片之间的仰角超过45度时，天线的方向图更接近一个喇叭天线，而当仰角接近90度时，天线的方向图则过渡为单极天线的形式。
2.4改变材料特质
虽然对导体重构的设计思想在可重天线设计中占主导地位，改变天线的材料特性同样能够到达对天线频率的调谐。应用静电场可以改变铁电体材料的相对介电常数，而应用静磁场可以改变铁氧体材料的相对磁导率。这些相对介电常数和磁导率的变化会导致天线有效电长度的改变，从而改变天线的工作频率。这一方法本质上的一大优点是，这类材料的相对介电常数和磁导率比较一般常用材料的相应数值要高，这可以显著减小天线的尺寸。而这一方法的主要缺点则是，这些标准铁电体和铁氧体材料(通常厚度在毫米量级)相对于其他类型基片的高传导率会严重损害天线的效率。
3极化可重构天线
天线极化可重构性作为一种附加的自由度，通过在系统使用中切换天线的分集方式，可以有助于提高系统在变化的环境中对干扰信号的免疫能力，从而达到改善链路质量的效果。天线表面的电流方向决定着天线远区电场的极化方式。为获得极化可重构性，天线结构，材料特性，或者馈电结构必须改变天线表面的电流方向。极化可重构可以是不同方向的线极化之间的重构、左旋或右旋圆极化之间的重构，或者是线极化与圆极化之间的重构。达到这些改变的机制(比如改变开关状态或结构)与前面描述的频率重构机制基本相同，当然，它们具体的实现方式有所差异。该种重构性主要的实现困难在于，在实现极化可重构性的同时要保持天线的阻抗或频率特性的稳定。
由于微带天线易于产生线极化和及圆极化波的优点，现今文献中报道的极化可重构大线设计基本都是基于微带天线形式的。
Fries等人研制了一种带有PIN三极管开关的缝隙环天线。该天线可以实现线极化与圆极化、或左旋与右旋圆极化状态之间的切换。对于线极化/圆极化设计，将位于45°和一135°方向的两个二极管正偏可获得线极化特性，反偏则获得圆极化特性。为实现左旋与右旋圆极化状态之间的重构，在设计中增加了对称的不连续结构。在两种设计中，为开关提供适当的OC偏置的同时又要保证RF信号的连续性(采用电容连接地平面各部分)，所以对地平面的设计尤其重要。该结构说明了相对于传统的固定天线，为使天线具有可重构性需要附加元素的重要性——基本辐射结构可能大致相同，但是在提供DC偏置连接和保持RF信号稳定方面则需要做重大调整。
4方向图可重构
理想的方向图可重构天线指的是，在保持天线其他特性参数不变的情况下对辐射方向图具有调节能力的天线。天线辐射结构上电流或磁流的分布情况直接决定了天线的空间辐射方向图的形状。由于这种源电流与由其导致的辐射方向图之间的对应关系，使得在保证频率特性不发生很大改变的前提条件下获得方向图重构性能变得十分困难。天线设计者首先要确定所需的电流分布(包括幅度和相位信息)。一旦所需的电流分布拓扑结构确定下来，设计者根据这一点选择一种基本的天线形式，然后对其做必要改动最后实现期望的电流分布形式.这一设计过程与阵列合成技术十分相似。剩下的任务就是考虑如何修改设计以保证天线终端的阻抗特性不发生大的改变，或者为改变的阻抗特性提供可调节的补偿匹配电路。在某些情况下，可以选择诸如反射器天线或寄生祸合天线结构。这类天线的输入端与天线结构的重构部分具有更好的隔离，这就允许天线的阻抗特性不随方向图的重构而发生改变。
5国内外研究现状
虽然可重构天线在近年来得到了高度重视，并且研究发展迅速，但是在具体实现上还存在一些难点和瓶颈。首先，开关的引入会影响天线的电流分布，天线产生的辐射场，对射频开关的性能也会带来影响，而目前有不少关于可重构天线的研究并没有采用真实的开关。其次，可重构天线的研究成果中极少提到偏置电路的设计思路。最后，可重构天线包含了天线本身、射频开关、直流偏置电路等方面的内容，而绝大部分的研究仅限于开关和天线本身，很少有对可重构天线进行整体性研究的例子。
通常为了衡量天线的性能，我们关注天线的两种类型参数性能，一是天线的输入端口阻抗随频率变化的性能(或称天线的频率响应特性);一是天线的远场辐射性能(或称辐射模式)。天线作为一种换能器装置能够将波导中传播的导行波转化为自由空间传播的电磁波。因此天线兼具路和场的性质。作为电路一部分的天线模块，相对于馈线来说是一个一端口负载元件，其输入阻抗和带宽由天线类型、天线表面源分布情况和周围环境等因素决定。尤其是输入阻抗，对于馈电点附近的物理细节十分敏感.另一方面，电磁波的辐射是由时变电流元和磁流元产生的，作为空间辐射源的天线模块，其上的时变源的分布状态决定着它的远场辐射模式。改变天线的表面电流或磁流分布状态就能够改变它的空间辐射特性(这也是重构 天线辐射模式的着眼点)，但同时天线的频响特性也发生变化;反之为了改变天线的频率响应而改变天线表面的源分布也会影响其空间辐射性能。由此我们可以获得如下结论:对天线的频率响应和辐射模式参数的两者之一进行重构势必会影响天线另一个参数的性能。即，频率响应的改变会对辐射模式产生影响:而天线辐射模式的变化也同样会影响天线的频率响应性能。而可重构天线终极的研究目标是希望获得对天线的各个参数进行分别独立控制的能力。因此这种频率响应与辐射模式之间的关联性质成为可重构天线设计者面临的最大挑战。国内外对可重构天线重构参数的研究主要集中在频率、方向图、极化方式等方面，其中频率可重构天线的研究成果较多。近来，人们将分形天线引入到可重构天线研究中，在分形天线口径的适当位置安装MEMS开关，通过调节开关状态，可以实现天线的频率重构或方向图重构。由于分形图形具有自相似性，因而分形天线具有重构工作频率的潜力。目前，国内才刚刚开始对分形天线进行可重构方面的研究工作，而国外的研究也多在频率重构方面，方向图重构方面的研究进行得相对较少。
第二篇：机载天线结构设计研究论文
1引言
0.45m卫星通信(简称卫通)天线项目系某型多用途载机首次安装如此大尺寸、高带宽的卫通天线,国内尚无类似产品装备可参考,并且其使用环境条件复杂,这些都对天线结构设计提出了重大挑战。天线结构设计过程重点考虑了各结构件在载机实际工作环境下的刚度、强度问题。其中许多关键部位的结构件,起着支撑天线、固定通信馈线及执行伺服驱动的作用,同时承担和隔离载机产生的振动和冲击,并实现天线的转动、定位和定向。天线结构件的刚度、强度、重量、转动惯量,直接影响到天线系统的精度和可靠性[1]。在天线结构整体设计阶段,采用了ProE三维设计软件进行结构设计,采用有限元法利用大型结构设计仿真软件MSC.Patran/Nas-tran对天线结构进行结构力学分析和仿真,加强和优化主结构件关键部位。仿真和实验结果以及实际飞行使用效果显示,天线的结构特性均能满足技术指标和使用要求。
2系统和整机要求
根据系统要求,天线系统在飞行过程中要实现准确地手动/自动跟踪卫星功能,依赖于天线座结构应具有足够的刚度、强度和传动精度,以保证整个伺服系统的结构谐振频率,提高伺服带宽,增加系统的稳定性、动态响应和传动精度。此外,根据载机实际工作环境要求,在最大限度减轻载机负担(即减轻天线重量)的前提下,应采取合理布局的设计思路以优化结构设计,使天线在使用过程中能够排除和降低载机工作环境对其产生的不利影响,保证其可靠性,达到指标要求[2]。
3总体结构设计与优化
根据载机实际情况,在保证性能的前提条件下,要求天线的尺寸和重量到达最小,对此进行了大量的优化工作,使得0.45m卫通天线外形安装尺寸(直径×高度)自最初方案提出的740mm×600mm(天线罩),重量约为50kg,优化为700mm×500mm(天线罩),重量约为40kg,如图1所示。其总体优化过程如下:天线的反射体为降低安装高度,放弃了传统的抛物面天线,采用了最新研发成功的低剖面波导阵列天线;座架则仍采用典型的方位-俯仰型结构以保证跟踪的可靠性;为了减轻重量,除关键传动部件采用40Cr合金钢外,其余结构件全部选用高强度轻质铝合金2A12-T4;由于铝合金螺纹连接处强度不够,且重复拆装性不好,参考已有航空设备安装措施,装入钢丝螺套以提高螺牙强度;天线与机体安装平台间装有隔振装置以降低机体振动带给天线的影响;天线罩为降低重量,在保证抗风强度的前提下,弃用传统的环氧玻璃布结构,采用最新的纸蜂窝夹层结构,大大降低了安装重量;所有电缆和波导则为保证气密性而经密封处理后通过安装孔进入机舱内部。按照以往的工程经验,此类机载通信/雷达天线在类似的环境和使用要求下,一般应超过此重量与尺寸。因此,与以往工程设计的不同之处之一,即在设计之初就对各结构件进行了反复的比对和二次优化。
3.1天线结构介绍
波导阵列天线的结构尺寸为597mm×300mm×17.5mm,四周切角以减小回转半径;经过减重处理后的重量约8kg,电气性能与0.45m口径抛物面天线等效,而高度和厚度则大大低于传统的抛物面天线。采用这种天线的优势包括剖面低、辐射效率高、口径分布控制精确、低副瓣、波束指向稳定、功率容量大、刚度和强度好、结构紧凑、厚度薄、相对重量轻、可靠性高等优异的电气和结构性能等。
3.2天线座架结构设计与优化
天线座架采用典型的方位-俯仰形式,结构紧凑,受力情况合理,调整方便;设计选定承载能力强、刚度好、重量轻、结构紧凑的转台式结构;因而从整体几何尺寸的优化满足了最小安装空间的要求。俯仰机构的转动支撑采用了圆锥滚子轴承,可同时承受径向力和轴向力,以最轻质最紧凑的结构满足天线支撑的需要。关键件俯仰支臂用厚铝板加工而成,其主要受力部位为轴承孔及与方位转盘的连接面,因此必须在保持结构强度要求的前提下,对支臂的非承力部分进行减重优化设计,具体做法如下:整体按照最小几何尺寸布置;保留轴承孔周边最小结构尺寸;与方位转盘、驱动、轴角装置的连接面相应保留足够厚度;保留一侧面的相对完整,另一面完全成空腔结构;增加与轴承孔的两道同心加强环筋,并根据此零件结构力学特性将其布置在最优强度位置。此外,根据以往工程设计经验,俯仰支臂与方位机构的的连接根部和俯仰传动链末级两处通常是整个座架结构的最薄弱环节,因此在这两点处预先进行了局部二次加强,加厚并尽可能圆滑支臂的连接根部,其优化过程如图2所示。
方位机构的核心传动部件转盘轴承,优选了应用广泛的带外齿的四点接触球轴承,使天线座架在保持紧凑的结构和较轻的重量的前提下,能同时承受较大的轴向载荷、径向载荷、倾覆力矩和双向推力载荷,还优化了方位总传动比。另一重要部件滑环,采用具有超长寿命、免维护、无需润滑、外形紧凑的空心轴多路滑环。方位运动的另一核心部件方位转盘同样用厚板材加工而成,负担着天线和俯仰支撑的重量,并要具备足够的刚度,其优化思路过程与俯仰支臂相似,也包括轴承结构保留、连接面强化、空腔化减重及同心加强环筋的布置,其优化过程如图3所示。方位驱动和俯仰驱动均选用轻质、紧凑、高输出扭矩的直流减速电机,末级增加间隙调整装置,可调节传动回程间隙。将经过优化设计的结构模型再由力学仿真进行分析验算。
4天线结构的力学分析
由于天线的质量分布很复杂,很难用解析的方法得到其解析解,因此采用专业有限元分析软件MSC.PATRAN/NASTRAN进行力学分析和仿真。
4.1有限元模型的建立
天线整体结构的有限元模型包括反射体、座架结构、俯仰齿轮及其连接支撑结构、方位转动机构等。为降低软件的计算量和复杂度,先对天线整体结构进行简化,去掉冗余节点,再采用MSC.PATRAN软件单独对其组成零件划分网格,最后将划分好的网格进行组装。采用了映射网格划分方法,面上网格全部为四边形,体则全部为六面体,这种划分能够更准确地描述天线座架结构的应力和位移情况[3]。模型的约束条件如下:天线座架的2个俯仰轴系各有一点的3个转角自由度释放,方位轴系释放绕垂直轴转角自由度及垂直方向位移自由度,约束其余4个自由度。模型的材料属性如下:天线座架的各轴、轴承、齿轮定义属性为钢40Cr,而其他零件定义属性为硬铝2A12-T4。建立的天线结构有限元模型如图4所示。
4.2模态分析
天线座架是一个复杂的弹性系统,如果其结构固有频率与伺服带宽靠近甚至落入伺服带宽之内,各种伺服噪声就会激发系统发生谐振,造成伺服系统不稳定,无法工作,甚至使结构破坏。为保证伺服系统的稳定性,并有足够的稳定裕度,通常要求结构固有频率高于伺服带宽3~5倍[4]。通过计算得到天线结构模型的固有频率,在第1、2、3、4阶模态下,其值分别为28.7Hz、29.2Hz、51.4Hz、60.8Hz,而本天线伺服系统的带宽为2.7Hz左右,可见固有频率远大于伺服系统的带宽,因此,天线的伺服系统拥有足够的稳定裕度。
4.3冲击振动分析
依据实际环境使用要求,冲击环境条件为:采用半正弦脉冲,峰值加速度15g,脉冲宽度11ms,3个互相垂直轴,6个轴向施加。对模型施加冲击载荷并进行有限元分析,得到了如下分析结果:最大应力出现在z轴(图5),可以看出最大应力处位于俯仰支臂的连接根部位置,最大应力值为109MPa,小于材料的屈服极限σ0.2=275MPa。所以,在给定的冲击载荷条件下,结构满足强度要求。振动条件见图6振动谱,其中额外迭加的4处定频振动峰值依次为1.6g、2.5g、1.7g、1.5g。对模型施加振动载荷并进行有限元分析,得到了如下分析结果:最大应力出现在y轴(图7),同样位于俯仰支臂的连接根部位置,其高斯分布规律的应力3σ值为178MPa,小于材料的屈服极限值σ0.2=275MPa。所以,在给定的随机振动条件下,结构满足强度要求。
4.4实验结果验证
按照要求对完成的设备进行冲击振动实验,从结果来看:主结构件经优化过的关键部位未出现以往相似工程中出现的刚度、强度不足的问题;改用轻质材料或采取减重措施的零部件受力情况与分析结果基本一致,均能满足设计要求;天线整体频响特性较好,在功能实验全程中运行正常,能够满足跟踪要求。
5结论
在0.45m机载天线的设计中,对载机的工作模式和环境特点进行了较为深入的研究,找出了结构设计过程中需要增强或优化的多个关键点,验证了天线结构的力学性能对伺服系统的重要性。在天线结构的设计与优化过程中,采用专业软件较好地解决了天线结构尺寸重量强度的优化设计、载机环境适应性等主要问题。天线系统精度较高,结构性能良好,从实际飞行过程中的具体通信效果来看,电气、伺服、结构等各项性能指标均完全满足系统要求。
由于国内机载卫星通信应用尚处于初步阶段,0.45m机载天线的研究结果对类似的机载雷达/通信天线的研发可以提供相应的技术参考和借鉴。需要指出的是,各种载机平台拥有各自不同的特性,对天线结构的要求也相应有所不同,建议今后对不同的载机平台,应进一步增加针对性的设计工作。
第三篇：可重构系统原型设计及动态重构技术实现
可重构系统原型设计及动态重构技术实现
摘 要：可重构计算具有应用灵活、性能高、功耗低、成本低等优势。动态重构技术作为可重构计算的配置方法，具有配置方法灵活、耗时短、任务实时响应能力强等特点。文章首先提出了可重构系统原型的设计思路，并着重分析了可重构计算单元、存储单元、可重构管理单元等关键模块的设计理念。然后分析了动态配置技术的实现原理，并且基于可编程逻辑阵列，搭建了“嵌入式处理器+总线+可重构计算单元”的硬件系统，并实现了两种图像处理IP核的动态配置。
关键词：可重构计算；系统原型；动态配置技术
引言
可重构系统一般由主处理器耦合一组可重构的硬件部件，处理器负责任务的调度，而可重构的硬件部件负责执行算法[1]。可重构架构的研究主要集中在以下几个方面：不同粗细粒度的架构研究、处理单元结构研究、处理单元的互联方式研究、新型存储结构研究等。可重构系统的重构方法主要包含两大类：静态重构技术、动态重构技术。静态重构需要整个系统复位，往往需要断电重启；动态重构技术是在系统不断电的情况下，可以完成对指定计算资源、逻辑资源的模块级或电路级重构，具有功能实时切换、资源可复用等优势。
动态重构技术作为一种计算系统的新型配置设计思路，从传统的追求计算资源“大而全”，向追求资源的利用率转变。与传统的静态配置或完全配置方法相比，动态重构技术无需对所有计算资源重构，可以有选择性的进行重构资源加载，一方面，能够保证系统在其他单元正常工作的同时，根据待处理任务需求及数据特点完成自适应配置，保证了对逻辑资源的时分复用；另一方面，能够大大缩短功能切换单元的配置时间，保证任务的无缝对接及实时处理。
文章组织结构如下：首先提出了可重构系统原型的设计思路，从可重构计算单元、存储单元、可重构控制单元等多个方面做了细化阐述；然后分析了动态配置技术的实现原理，并基于Xilinx开发平台，搭建了“嵌入式处理器+可重构计算单元”的验证系统，实现了粗化、细化两种边缘提取IP核的动态配置；最后对试验结果进行评估。可重构计算系统架构设计方案
可重构计算原型系统的体系架构采用RISC架构通用处理器（CPU）、可重构控制单元、可重构计算阵列、可重构I/O接口和存储系统等部分组成。CPU与可重构计算阵列之间为并行处理关系。从系统设计复杂度和灵活度考虑，两者采用总线结构耦合。因此，在系统平台架构中，通用处理器、计算单元和接口单元之间采用总线连接方式。其系统架构见图1。
系统变换形态流程如下：系统进行计算功能变换时，通用处理器向可重构控制单元发送重构命令，可重构控制单元管理、调度硬件资源，并上报系统工作状态；当系统资源准备就绪后，通用处理器控制可重构硬件读取硬件配置数据并加载到器件中，以变换可重构计算单元或接口单元的形态，统一变换系统中全局存储空间的划分、管理及访问控制，各计算模块共享内存区的映射关系图；同时，根据新的计算形态加载相应的软件和数据，最终完成整个系统形态变换流程。功能切换时，只对可重构硬件的一部分进行重新配置，其他部分可继续执行任务。动态部分重构可以减少配置数据，加快了计算形态变换速度，提高了系统的适应性和灵活性。
通用处理器运行操作系统，负责系统的控制、计算形态管理、计算资源管理和任务调度；处理那些控制比较复杂、不便映射到硬件上，且计算量较少的计算任务，如变长循环、分支控制、存储器读写等。可重构硬件则用于处理计算量大、并行度高、任务相关度低的部分，执行程序中拥有规则的数据访问模式，控制简单的那部分“计算密集型”代码，主要由可重构控制单元、可重构计算单元、可重构I/O接口及片上高速总线组成。其中计算单元及I/O接口可根据应用需求重构为不同的计算形态。
1.1 可重构系统计算单元模型设计
可重构系统计算单元的基本思想要求将计算和存储两部分进行解耦合，因此采用了数据和指令存储物理分离的哈佛结构，将数据访问模块、指令组织与调度模块和指令执行模块分离。同时，根据流处理模型中生产者消费者局部性的特点，将数据访问模块划分成软件可管理的多个存储层次，各自保持独立运行。可重构系统计算单元主要有三个部分组成：控制单元、存储单元、可重构处理单元阵列。
控制单元。执行算法时，控制单元对可重构系统计算单元进行总体控制，协调可重构处理单元阵列、配置存储器、本地存储器、数据分配单元、数据合并单元的运行，根据系统运行状态和各个单元内部控制信号的反馈信息，改变各个单元的状态，保证系统正确运行。
存储单元。存储单元分为三部分：数据存储，寄存器堆以及配置存储。数据存储包括本地存储器，数据分配单元以及数据合并单元。本地存储器用于存储可重构处理单元阵列计算需要的输入数据和输出数据；数据分配单元用于从本地存储器或寄存器堆中读取数据；数据合并单元用于向本地存储器或寄存器堆写入计算单元的输出数据。寄存器堆用于存储中间数据，并向阵列发送配置字。
可重构计算基础单元。可重构计算单元是可重构阵列的核心部分，可以理解为粗粒度的最小计算单元。为了能够执行更多类型的算法，需要支持尽量更多的功能。例如，对于常用的计算密集型运算，需要支持FFT、FIR、DCT和点积等功能。因此成熟的可重构系统中，应该包含足够多基础功能、不同粒度需求的可重构计算资源库，以便于更加灵活的资源组合。
1.2 可重构系统存储单元模型设计
可重构计算系统的存储单元由CPU和可重构阵列共同访问操作。因此，存储单元主要研究CPU和可重构计算单元对内存访问的协调与控制机制，存储单元的模型设计需要主要解决如下问题：避免内存访问冲突、解决多个处理器模块并行工作会降低主存的访问效率的问题、解决可重构计算单元面临的端口和速度的限制。
存储管理单元主要解决多个模块并行工作时会降低访存效率的问题：多个模块共享片外内存会引起访问冲突从而导致等待；访问片外内存的端口数量非常有限，不利于数据通路中的并行访问。主要采取如下改进措施：（1）为可重构硬件平台增加内存管理单元，实现片外和片上内存的映射，保持数据一致性；（2）为内存访问提供多端口流水化处理或数据预读取；为应用提供定制化的缓存结构。
1.3 可重构管理单元模型设计
可重构管理单元负责控制任务，它主要接收通用处理器指令，完成系统形态管理和资源管理；计算单元的软件加载、配置管理和数据交换等任务。
其主要完成的工作有：（1）实现全局存储空间的划分、管理及访问控制，解决数据访问冲突，阻止非法访问；将各模块传递的数据存储在统一的存储区，以并行方式协同完成计算任务；（2）接收通用处理器的指令，将共享存储系统中的操作系统及应用软件加载到计算单元；（3）对系统内部可重构硬件资源进行管理，确保相应可重构计算单元或I/O接口功能变换时，不影响系统正常运行功能；（4）用于实现对可重构计算单元的动态配置，可以根据应用任务需求修改计算单元架构和计算模块的功能，并将计算单元、I/O接口的总线转换为统一的内部互连总线，提高了对外连接的适应性。基于可编程逻辑阵列的动态配置技术实现
2.1 动态配置技术原理
动态配置技术是实现可重构计算单元切换的关键技术，保证逻辑资源的时分复用，在优化资源配置的基础上实现对不同任务的响应。动态配置技术支持的配置阶段及配置策略，直接决定了不同重构单元是否能够实现无缝切换，进而影响了任务实时响应能力。目前成熟的动态配置技术需要提前编译待重构的逻辑资源、定义各硬件模块的接口和时序约束、明确各模块在可编程逻辑阵列上的实现区域及模块之间的物理连线。动态配置技术主要包括三个阶段，即设计阶段、编译阶段、运行阶段[2]。
设计阶段，根据任务处理需求，需要设计不同计算任务对应的功能电路，每种计算任务可能对应一种功能电路，或者是若干个功能电路的组合。在基于可编程逻辑阵列的逻辑设计中，电路设计采用硬件语言描述或者原理图描述的方法；顶层设计文件通过综合器生成网表文件，在布局/布线阶段，依旧可以对流处理器进行优化设计。
编译阶段，基于配置文件的生成工具，生成初始配置文件及若干动态配置文件；初始配置文件包含了非重构区域的系统或电路描述，每个动态配置文件对应一种计算任务。动态配置文件经过重构文件生成器，生成最终可以动态加载的配置文件。
运行阶段，非重构区域的处理器或者控制电路，可以自行分析待处理数据的特点或依据顶层控制指令，完成配置文件的动态加载。加载过程往往通过重构控制器及动态配置接口完成，重构配置器在重构数据库中选择相应计算任务对应的配置文件，通过动态配置接口将其加载到可重构平台中，并将可重构分区内的逻辑资源重构。
2.2 基于ICAP动态配置技术实现
Xilinx公司提供支持动态配置技术的整套开发工具，包括用于动态配置的配置接口IP硬核及相应的加载配置函数。开发者需要基于标准开发流程，搭建硬件平台并制作可重构计算单元的IP核；根据可重构部分的资源占用情况，在FPGA内部划分可重构区域资源的大小、位置及种类。ICAP（Internal Config Access Port）是可重构资源的内部配置接口，可以挂在到内部总线上；硬件平台搭建完成之后，编译系统会为ICAP提供唯一寻址地址，作为从外部存储空间向内部可重构区域加载的数据入口和通道。
如图2所示，基于ICAP的动态配置技术主要包含如下步骤：创建处理器硬件系统、创建顶层设计、创建布局/布线工程、定义可重构分区、添加可重构模块、设计规则检测、自定义配置、生成比特流、生成启动文件。创建处理器硬件系统及顶层设计后，需要对模块占用的资源进行预估，并根据预估结果创建顶层设计的约束文件。定义可重构分区、添加可重构模块阶段，需要充分考虑布局布线的时序及资源要求。图3为可重构系统的布局图，主要包括处理器、可重构分区、数据总线及其他非重构IP核等，处理器负责资源调度、可重构接口控制等；可重构分区用于实现流处理器的多形态变换；数据总线同时用作动态配置文件加载、各模块数据通信通道。
2.3 可重构计算系统平台搭建
如图4所示，基于动态配置技术的可重构架构的验证系统包括上位机、可重构计算系统（主要由可编程逻辑阵列组成），两者之间通过通信总线连接。主要包含以下模块：（1）可重构控制单元。该单元包含：内嵌通用处理器PowerPC、Linux操作系统、PLB总线等，主要负责可重构单元的控制、数据传输、资源调度等。（2）通信单元。该单元主要包含：以太网接口及串口，用于图像传输及控制指令传输。（3）内存管理单元。该单元主要包含片内定制的乒乓存储单元，用于源图像及中间处理数据的缓存。（4）可重构逻辑单元。可重构控制单元根据待处理数据的信息特征，通过动态重构方式加载不同配置文件。如可重构硬件模块1支持图像边缘的粗提取，可重构硬件模块2支持图像边缘的精细化提取。
上位机负责可重构配置单元的加载控制，能够根据待处理任务的数据特点和大小以及处理内容，选择最适应的可重构加载文件，并向可重构计算系统发出重构指令。可重构计算系统通过加载不同配置信息，可重构计算单元来并完成处理任务。在任务处理过程中，可重构计算系统可将任务状态信息、任务处理结果等用户关心的参数上报给上位计算机并打印输出。
文章实现的图像边缘提取算法包括如下步骤：图像平滑、图像锐化、边缘提取、边缘连接，最终得到完整的边缘图像。高斯平滑与LOG锐化过程采用空间域滤波方法，二值处理采用自适应阈值分离方法，边缘细化采用形态学变换的方法。其中粗提取模块主要包含以下三个步骤：图像平滑、图像锐化、二值处理。精细提取模块包括以下四个步骤：图像平滑、图像锐化，二值处理和边缘细化四个步骤。试验结果分析
3.1 试验环境
可重构计算系统的试验平台基于Xilinx提供的ML507开发板，处理器采用PowerPC440，操作系统采用Linux，处理器通过PLB总线与可重构配置区域及其他IP核通信。具体配置参数如表1所示。
3.2 试验结果评估
配置文件规模评估。实验结果表明，如果将“PowerPC处理器+PLB总线+图像处理IP核”的硬件系统全部重构，需要配置的比特流文件为1914KB；而图像处理IP核的重构只需285KB。由此可以看出，与静态配置技术相比，动态配置技术能够在保证大部分逻辑资源不变的情况下，选择性的完成资源重构。
配置时间评估。动态配置技术实现中采用的内部配置访问接口ICAP的时钟频率为50MHz，数据带宽8bit，理论配置速度为0.5× 108B/s。实验结果表明，动态配置技术无论在配置数据的加载时间还是重构总耗时，都大大减少。配置时间的减少，保证了计算资源的无缝切换，提高了不同任务的响应速度及实时处理能力。结束语
文章主要有如下贡献：（1）提出了可重构计算原型系统的设计思路，着重介绍了可重构系统计算单元、可重构系统存储单元、可重构管理单元等关键模块的设计理念。（2）搭建验证平台，并实现了动态配置技术。文章基于Xilinx开发平台，搭建了“PowerPC处理器+PLB总线+可重构计算单元”的验证系统，设计了边缘提取的自主知识产权核，实现了基于ICAP动态配置接口的可重构计算。实验结果表明该验证平台不仅具有较高的计算能力和计算灵活性，而且具有较强的资源调度能力，能够大大缩短资源重构的占用时间。
未来工作包括以下几方面：（1）进一步完善体系结构设计方案和系统计算模型；（2）结合可重构硬件的发展，进一步开展可重构支撑技术的研究，如：任务时域划分模型、软硬件划分及调度模型、硬件资源管理模型等；（3）深入研究可重构计算基础模型，建立多种架构的可重构单元模型库，以适用于更多的应用场景。
参考文献
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第四篇：超宽带天线的研究与设计
超宽带天线的研究与设计
李庆娅 李晰 唐鸿燊
摘 要： 本文设计了一款差分微带超宽带天线，通过改变馈线和尺寸和接地板上缝隙的半径,优化了天线的性能，所实现的天线带宽为11.5 GHz，且有较好的辐射特性。在此基础上，通过在两贴片上对称地开槽，得到了在5 GHz处有陷波特性的超宽带天线。关键词：超宽带天线；差分天线；带阻特性
Research and Design of Ultra-wideband Microstrip Antenna
Li Qing-Ya, Li Xi, Tang Hong-Shen Abstract: In this paper, a differential microstrip ultra-wideband antenna is designed.It is optimized by changing dimensions of feeding line and radius of slot in the ground.The simulated and measured results show that the frequency bands of antenna is 11.5 GHz.Also, it has good radiation characteristics.Based on this, by etching the slot in the patch symmetrically, the ultra-wideband antenna with band-notch characteristics at 5 GHz is achieved.Key words: Ultra-wideband antenna;differential antenna;band-notch characteristics 引言
近几年,随着超宽带(UWB)通信技术的快速发展，对应用于短距离无线通信系统中的天线提出了更高的要求，不仅要求天线尺寸小、剖面低、价格便宜，易于加工并可集成到无线电设备内部，同时，还要求天线阻抗带宽足够宽，以便覆盖整个UWB频段。美国联邦通信委员会(FCC)规定UWB信号的频段为3.1 GHz-10.6 GHz。这个通信频段中还存在划分给其他通信系统的频段，如5.15 GHz到5.35 GHz的IEEE802.11a和5.75 GHz到5.85 GHz的Hiper-LAN/2。
在接地板上开缝是实现超宽带天线的方法之一，常见的缝隙形状如倒锥形[1]、矩形、半圆形、梯形[2]等。文献[2]中仿真优化并制作了一个小型化超宽带微带天线，在整个工作频段2.15-13.47 GHz内，该天线的回波损耗均在-10 dB以下，增益基本稳定在3~6 dB之间，并具有比较稳定的辐射特性。在超宽带天线的基础上通过在辐射贴片上开槽实现带阻特性，槽的形状有L形[3]、矩形[4]、E形[5]等，文献[5]提出了一种新型的具有双阻带特性的超宽带天线，制作出实物并验证了天线的超宽带和陷波特性，即在中心频率3.75 GHz和5.5 GHz附近的频带范围内具有良好的陷波特性。
本文首先设计了超宽带天线，研究了天线的回波损耗S11和辐射特性与天线环形接地板尺寸的关系，改善了天线的带宽。在此基础上，通过改变贴片和微带线的尺寸。并利用折合形开槽技术在贴片上开槽，有效实现阻带。2 天线设计
本文设计天线结构如图1所示。图1(a)中天线的辐射贴片，位于介质基板的上表面，图1(b)是刻蚀了圆形缝隙的地，位于介质基板的下表面；天线采用介质为RogerS RT/duroid 6006，相对介电常数为6.15，厚为0.5mm的介质基板，尺寸为 29.6 mm×33.6 mm；馈电部分为50欧的微带线。
(a)正面结构
(b)反面结构
图1 天线平面结构示意图 仿真结果
天线的设计尺寸为p2l=5.3 mm、p2x=2.7 mm、p1l=5.4 mm、p1x=0.23 mm、cr=13.4 mm。采用三维电磁仿真软件HFSS对所设计天线进行仿真，结果表明cr、p2l和p1x对天线的带宽影响较大。图2-4给出了这些参数变化时，天线的反射系数。当研究天线的某一尺寸与天线特性的关系时，保持其他尺寸不变。
图2给出了不同cr值时天线S11的仿真结果，可以看出工作频率的最小值fmin随cr的增加而增加，由2.5 GHz增加到3 GHz；工作频率的最大值fmax随cr的增加而减小，由13 GHz减小到11.8 GHz。当cr=13.0 mm时，带宽最大，为2.5-13 GHz，实现超宽带10.5 GHz。
图3给出了不同p2l值时天线S11的仿真结果，可以看出改变p2l的值对7 GHz处的S11值有明显改善作用。当p2l=5.0 mm时，7 GHz处的S11值变化明显由原先的-11.334 dB下降到-37.6264 dB。
图4给出了不同p1x值时天线S11的仿真结果，可以看出改变p1x对7 GHz处的S11值有明显改善，且当p1x=0.20 mm时，7 GHz附近的S11在-10 dB以下，并且带宽最大，达到2.68~12.63 GHz。
0-5fmin0-5-10-10S11(dB)S11(dB)fmax-15-20-25-30-35-4012-15-20-25-302345 cr=13.0mm p2l=4.0mm p2l=5.0mm p2l=5.3mm p2l=6.0mm*** cr=13.4mm cr=13.8mm cr=14.0mm67891011121314Frequency(GHz)Frequency(GHz)
图2不同cr时天线的S1图3不同p2l时S11与频率的关系
0plx=0.20mm-5plx=0.24mmplx=0.28mm42Gain(dBi)S11(dB)-10plx=0.30mm0-2-4-***89Frequency(GHz)10111213-62468101214Frequency(GHz)
图4不同p1x时S11与频率的关系图
图5增益图
4测试结果
根据前面的研究结果实现的天线如图6所示，天线的尺寸为p2l=5.0 mm、p2x=2.7 mm、p1l=5.4 mm、p1x=0.20 mm、cr=13.4 mm，使用Agilent公司的网络分析仪N5221测量了天线的S参数，结果如图7所示。对比图2中cr=13.4 mm和图7可知，天线测量结果与仿真基本一致，尤其在在6 GHz-13 GHz处较为吻合。天线的方向图和增益如图8-10所示。图8给出了天线增益，在3-8GHz，增益都大于3dB，最大值为4.11dB，而在3-12GHz，增益较低，尤其在11GHz时，只有-6dB。图9-10给出了天线在5GHz处的方向图，可以看出，天线在H面为全向辐射，在E面方向图为8字形，在其他频段的方向图与5GHz处的基本相同。对于实测与仿真结果的差距，可以通过提高加工精度和改进测量技术来得到改善。
(a)正面结构
(b)反面结构
图6 天线实物图
50-5S11(dB)0-5Gain(dBi)-10-15-20-25-30-10-15-20-354812Frequency(GHz)16200246810121
4Frequency(GHz)
图7 实际天线回波损耗S1图8 增益图
00-20-40-60-80-60-40-200210***027090 033030 co-pol cross-pol 0-30-60-90-60-30024027033030 cross-pol co-pol300603006090 120210180150
图9 H面方向图
图10 E面方向图 5GHz处实现有阻带特性的超宽带天线
为了进一步增加5 GHz附近的S11，减小这个频段的辐射，实现有陷波特性的超宽带天线，在圆形贴片上加载多边形槽线，其结构如图11所示，槽线的总长度计算公式为
Lslotc/{2f[(r1)/2]1/2}
(1)其中c表示光速;f为槽线的谐振频率;εr为介质板的相对介电常数[5]。根据陷波频带的中心频率为5 GHz，由式(1)计算出槽线的长度为15.84 mm.图12给出了fl3对S11的影响，由图知，当fl3改变时，即槽线的总长度改变时，天线的陷波频段也随着变化，当fl3=1.5 mm时，5GHz处fl3最大并在-10 dB以上；此时的增益图如图13所示，可以看出，当f=5 GHz时，增益由原来的3.2dB降为-1.68451 dBi，在其他频段增益基本没变化。
图11 开槽的正面结构模型
0-5-10-15-20-25-300246 fl3=1mm fl3=0.5mm fl3=0.9mm fl3=1.5mm8101214642Gain(dBi)S11(dB)-2-4-6246810Frequency(GHz)1214
Frequency(GHz)0
图12不同fl3时S11与频率的关系图
图13 增益图 结论
本文所设计的差分超宽带天线，实现了2.5~13 GHz的工作带宽，辐射特性良好。天线尺寸为：p2l=5.0 mm、p2x=2.7 mm、p1l=5.4 mm、p1x=0.20 mm、cr=13.4 mm。利用折合形开槽技术在两贴片上分别对称开槽，在5GHz处实现了阻带特性。参考文献：
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第五篇：消费类电子产品论文：消费类电子产品天线阻抗匹配的研究
消费类电子产品论文：消费类电子产品天线阻抗匹配的研究
【中文摘要】消费类移动电子产品逐渐成为人们日常生活的必需品,消费类电子产品有智能手机、MID、PND及最近流行的平板电脑等,在这些电子产品中,普遍存在一个或多个无线接收或发射装置,天线是发射或接收电磁波的关键器件。但有些天线单纯依靠它本身的结构及特性,很难达到最佳接收或发射效果。如何根据不同的天线特点在大规模生产的时候进行有效匹配,满足这些天线收发性能指标的设计要求就成了一个重要课题。本文对一些主要的天线特点、性能的设计要求及阻抗匹配方法进行了介绍。较详细地分析了GPS天线阻抗特性及匹配方法、WIFI和蓝牙阻抗特性及匹配方法、FM天线阻抗特性及匹配方法。在消费类移动电子产品中要求匹配电路简单,生产效率高,满足用户要求及使用方便,其中宽带天线往往是一个难点,因为简单的电路快速匹配与宽带系统本身就矛盾。本文重点研究宽带U波段数字电视拉杆天线的特点及阻抗匹配方法,通过利用MATLAB工具箱遗传算法函数和实测数据仿真计算来实现消费类便携式电子产品天线阻抗匹配。最后以一实际的拉杆天线为例,结合实测数据,应用Matlab遗传算法工具箱,求得其相关参数后,再去指导实际的匹配,得到最后的匹配参数。实例证明了本文提出的基于Matl...【英文摘要】Consumptively mobile electronic-products such as smart phones, MID, PND and fashionable Tablet PC, etc.are indispensable in the society.In these electronic products, one
or more wireless receiver or transmitter device is necessary.So, the antenna is of utmost importance since it is the key device to transmit or receive electromagnetic waves.However, it is difficult to achieve the best receiving or transmitting performance just relying solely on the structure and properties of the antenna itself.So, it...【关键词】消费类电子产品 天线阻抗匹配 Matlab遗传算法 拉杆天线
【英文关键词】Consumptive electronic products Impedance matching MATLAB genetic algorithm Rod antenna 【目录】消费类电子产品天线阻抗匹配的研究4-5Abstract5-6
第1章 绪论9-13
摘要
1.1 课题1.3 研究第2章 研究的背景9-10的主要内容和方法
1.2 国内外研究现状10-1111-12
1.4 本文思路12-13
2.1 网络参数介绍阻抗匹配网络相关研究13-2013-1713-14带宽15-172.1.1 天线的输入阻抗及调谐器的输入阻抗2.1.2 天线的反射参数14-15
2.1.3 匹配网络
2.2.1 匹
2.2 天线匹配网络的作用17-19
2.2.2 匹配网络的作用配网络的影响17-1818-1919-2020-332.2.3 匹配网络的结构192.3 本章小结第3章 消费类电子产品天线阻抗匹配结构及方法3.1 GPS天线阻抗特性及匹配方法20-23
3.1.1
GPS天线简介203.1.2 GPS天线阻抗特性20-223.1.3 GPS天线匹配结构及匹配方法22-23及匹配方法23-25WIFI及蓝牙阻抗特性25
3.2 WIFI及蓝牙阻抗特性
3.2.2
3.2.1 WIFI及蓝牙简介23-2424-25
3.2.3 WIFI及蓝牙匹配方法
3.3.1 FM天3.3.3 FM天线3.3 FM天线阻抗特性及匹配方法25-283.3.2 FM天线阻抗特性
25-27线简介25阻抗匹配方法27-28及匹配结构28-31
3.4 移动数字电视U波段天线阻抗特性3.4.1 移动数字电视简介28
3.4.2 移动数字电视接收基本原理28-29阻抗特性29-30配的状况30-31及问题31-32
3.4.3 移动数字电视天线
3.4.4 移动数字电视拉杆天线实际的阻抗匹3.5 目前解决宽带天线快速匹配的主要方法3.6 本章小结32-33
4.1 遗传算法
第4章 遗传算法及33-39
4.1.1 遗传MATLAB工具箱33-43算法概述33-3434-37
4.1.2 遗传算法的一些基本概念
4.2 4.1.3 遗传算法处理过程及流程37-39Matlab工具箱及遗传算法函数39-42具箱39-4141-42
4.2.1 Matlab及函数工
4.2.2 MATLAB遗传算法需要使用的函数4.3 本章小结42-43
43-64
第5章 基于遗传算法的拉杆天线匹配网络设计43-44
5.1 拉杆天线匹配网络结构
5.3 拉杆5.2 拉杆天线没有匹配的主要参数44天线匹配网络数学表达44-46算法实现46-63
5.4 拉杆天线匹配网络的遗传
5.4.1 拉杆天线无匹配网络时的测试及计算
结果46-51算法设计匹配网络正55-6364-65
5.4.2 匹配阻抗表达式52-55
51-525.4.3 遗传
5.4.4 仿真结果进行实际匹配及修
第6章 结论与展望
在攻读硕士5.5 本章小结63-64参考文献65-68
致谢68-69学位期间发表的论文
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