基于遺傳算法的超寬帶微帶天線優(yōu)化設(shè)計(jì)

孫思揚(yáng) 呂英華 張金玲 喇東升 趙志東 阮方鳴

(1.北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院，北京 100876； 2.貴州師范大學(xué)物理電子學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550001)

1.引 言

自從美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)(FCC)將3.1～10.6 GHz之間的頻段分配給超寬帶(UWB)無(wú)線通信業(yè)務(wù)使用之后，超寬帶技術(shù)以其高傳輸速率及較強(qiáng)的抗多徑干擾能力在短距離高速無(wú)線通信領(lǐng)域引起了全球范圍的廣泛關(guān)注。在UWB系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)緊湊，低成本，易于集成的UWB天線的研究設(shè)計(jì)成為最近幾年研究的一個(gè)熱點(diǎn)。研究者們提出了許多不同形狀的超寬帶平面單極子天線來(lái)滿足超寬帶通信系統(tǒng)的需求[1-5]。

遺傳算法是模擬生物在自然環(huán)境中的遺傳和進(jìn)化過(guò)程而形成的一種自適應(yīng)全局優(yōu)化概率搜索算法。它最早由美國(guó)密執(zhí)安大學(xué)的Holland教授提出，起源于60年代對(duì)自然和人工自適應(yīng)系統(tǒng)的研究。作為一種全局優(yōu)化搜索算法，遺傳算法以其簡(jiǎn)單通用、魯棒性強(qiáng)、適于并行處理等顯著特點(diǎn)，在圖像處理、組合優(yōu)化、自動(dòng)控制等眾多領(lǐng)域獲得了成功的應(yīng)用[6]。

隨著微帶天線設(shè)計(jì)理論與技術(shù)的不斷發(fā)展，遺傳算法開(kāi)始引入到微帶天線設(shè)計(jì)中來(lái)[7-11]。通過(guò)遺傳算法對(duì)天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行全局優(yōu)化，得到滿足某些性能要求的微帶天線。本文成功地將遺傳算法應(yīng)用于超寬帶微帶天線設(shè)計(jì)，建立了基于遺傳算法和HFSS(high frequency simulation software)的優(yōu)化工程以執(zhí)行參數(shù)優(yōu)化任務(wù)。在此基礎(chǔ)上，優(yōu)化出了一款具有超寬頻帶特性的平面單極子天線。為了獲得超寬帶的頻率特性，采用圓環(huán)形輻射貼片，并通過(guò)在接地板上蝕刻縫隙以改善阻抗匹配。對(duì)所設(shè)計(jì)天線的輸入端反射特性及輻射方向圖進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明：該天線在3～11 GHz頻段內(nèi)的回波損耗小于-10 dB，完全可以覆蓋FCC分配給UWB業(yè)務(wù)的3.1～10.6 GHz頻段。

2. 遺傳優(yōu)化策略

本文建立了基于遺傳算法和HFSS(high frequency simulation software)的優(yōu)化工程以執(zhí)行參數(shù)優(yōu)化任務(wù)，并對(duì)其編程實(shí)現(xiàn)。該工程包含兩個(gè)功能模塊：遺傳算法模塊和適應(yīng)度模塊，如圖1所示。

遺傳算法模塊實(shí)現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化功能，如圖2所示。它執(zhí)行以下三個(gè)步驟

1) 產(chǎn)生每個(gè)個(gè)體的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并將其傳遞給適應(yīng)度模塊；

2) 接收由適應(yīng)度模塊計(jì)算并傳遞來(lái)的個(gè)體的適應(yīng)度值；

3) 對(duì)接收來(lái)的個(gè)體適應(yīng)度值進(jìn)行循環(huán)終止條件判斷，若符合條件，則已找到滿足要求的解，程序退出循環(huán)并顯示結(jié)果。否則，基于適應(yīng)度值，將選擇、交叉、變異算子作用于當(dāng)前種群，從而產(chǎn)生下一代種群。在選擇算子中，引入最優(yōu)保存策略以保證所采用的遺傳算法的收斂性。上述流程循環(huán)進(jìn)行，直到滿足循環(huán)終止條件為止。

圖1 所建立優(yōu)化工程的結(jié)構(gòu)圖

圖2 遺傳算法模塊結(jié)構(gòu)圖

適應(yīng)度模塊實(shí)現(xiàn)計(jì)算適應(yīng)度值的功能，如圖3所示。它執(zhí)行以下三個(gè)步驟

圖3 適應(yīng)度模塊結(jié)構(gòu)圖

1) 接收個(gè)體的結(jié)構(gòu)參數(shù)并解碼，調(diào)用HFSS軟件計(jì)算個(gè)體的電特性參數(shù)；

2) 將HFSS計(jì)算得到的電特性參數(shù)，如回波損耗，代入所設(shè)計(jì)的適應(yīng)度函數(shù)計(jì)算個(gè)體的適應(yīng)度值；

3) 將得到的適應(yīng)度值返回遺傳算法模塊以進(jìn)行遺傳操作。

本文的目的是利用遺傳算法對(duì)天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而得到超寬帶的頻率特性。目標(biāo)頻段為3～11 GHz，要求在此頻段上的回波損耗小于-10 dB。基于上述考慮，適應(yīng)度函數(shù)定義為在目標(biāo)頻段上回波損耗值(S11)的平均值。

(1)

(2)

上述方程中，fi為目標(biāo)頻帶內(nèi)的抽樣頻率。如果這些抽樣頻率處回波損耗值(S11)的平均值小于-10 dB，則認(rèn)為達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，程序跳出循環(huán)并顯示結(jié)果。

在本設(shè)計(jì)中，抽樣頻率fi均勻分布于3～11 GHz頻段，間隔500 MHz。

3.天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的超寬帶平面單極子天線結(jié)構(gòu)如圖4所示。天線的輻射單元為一內(nèi)外半徑分別為R2，R1的圓環(huán)型薄片，印制于42 mm×30 mm(L×W)的FR4介質(zhì)板之上。接地板位于介質(zhì)板的另一側(cè)，采用矩形結(jié)構(gòu)，其上蝕刻有尺寸分別為L(zhǎng)1×W1，L2×W2的矩形縫隙，用以調(diào)節(jié)阻抗匹配。此外，間距L3用于調(diào)節(jié)圓環(huán)形輻射貼片與接地板之間的電磁耦合。

圖4 天線結(jié)構(gòu)示意圖

在本設(shè)計(jì)中，縫隙尺寸(L1，W1)，(L2，W2)，圓環(huán)內(nèi)外半徑R2，R1，輻射貼片與接地板之間的間距L3為影響天線阻抗帶寬的重要參數(shù)，因此，利用第二節(jié)所建立的優(yōu)化工程，對(duì)其進(jìn)行全局優(yōu)化。

4. 結(jié)果分析

在上述分析的基礎(chǔ)上，本節(jié)利用遺傳算法對(duì)所設(shè)計(jì)天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行全局優(yōu)化，并對(duì)天線性能進(jìn)行了仿真分析。遺傳算法優(yōu)化之后所得到的天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示(單位：mm)。

表1 所設(shè)計(jì)天線結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果

利用電磁仿真軟件HFSS對(duì)優(yōu)化得到的天線的電特性進(jìn)行仿真。圖5 所示為天線輸入端回波損耗的頻率特性曲線。由圖可見(jiàn)，天線輸入端的回波損耗在3～11 GHz頻段范圍內(nèi)均小于-10 dB，頻帶寬度約為3.7：1，完全可以覆蓋FCC分配給UWB業(yè)務(wù)的3.1～10.6 GHz頻段。

圖5 天線輸入端回波損耗的頻率特性曲線

為了研究天線的輻射特性，本文對(duì)天線的輻射方向圖進(jìn)行了仿真研究。選擇的三個(gè)頻點(diǎn)分別為3.5 GHz，8 GHz，10.4 GHz。圖6中(a)～(f)分別給出了上述三個(gè)頻點(diǎn)處天線的E面和H面的方向圖。由圖可見(jiàn)，在整個(gè)頻帶內(nèi)，該超寬帶天線在H面內(nèi)具有近似全向輻射的特性，只有在8 GHz附近H面方向圖出現(xiàn)分叉。而對(duì)于E面，在整個(gè)頻段內(nèi)，天線方向圖基本呈“∞“形。

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)圖6 不同工作頻率下天線的方向圖

5. 結(jié) 論

本文成功地將遺傳算法用于超寬帶微帶天線設(shè)計(jì)。建立了基于遺傳算法和電磁仿真軟件HFSS的優(yōu)化工程。在此基礎(chǔ)之上，優(yōu)化設(shè)計(jì)出了一款新型超寬帶微帶天線。該天線在結(jié)構(gòu)上采用圓環(huán)形輻射貼片，并通過(guò)在接地板上蝕刻縫隙以調(diào)節(jié)阻抗匹配。研究結(jié)果顯示：其在3～11 GHz頻段內(nèi)的回波損耗小于-10 dB，且具有良好的輻射特性。這充分說(shuō)明了該優(yōu)化工程在超寬帶微帶天線的設(shè)計(jì)優(yōu)化中的有效性。在今后的工作中，將新的遺傳算子引入優(yōu)化程序中，以提高算法效率。

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