新型天線高維多目標優化設計理論和技術研究

摘 要：天線是無線通信系統中不可或缺的重要元件，在時代的進步與科技的不斷發展過程中，滿足持續增長的系統需求，提升通信系統的綜合性能，已經成為了通信系統研究的重要課題[1]。本文主要闡述了新型天線高維多目標優化設計理論，并對其技術研究進行了探討，希望能對促進加強無線通信系統的進步提供參考。

關鍵詞：新型天線;高維多目標;優化設計;理論;技術研究

天線是在無線通信中有著不可替代的重要作用，其是幫助無線通信體系進行導行電磁波和輻射電磁波轉換的重要裝置。天線是直接和傳播信道進行相互作用的射頻器件，同時也是無線通信體系中電磁波的接、發終端，天線技術對于整個無線通信的發展都有著巨大的影響。在現階段的天線技術研究中，如何對天線性能進行改善，進一步提高無線通信技術，是不可分割的關聯性課題。在進行介質加載電子幻想多波束天線的設計中，通信設備對于天線的體積大小和天線性能的要求很難達到統一，因此也必須在兩者之中做出調整，首先便是要通過實踐研究來了解加載介質的物理限制以及其陣列構型的特點，在實際的天線優化設計之中，加載介質材料有著其難以替代的優勢，值得使用與推行[2]。

一、天線優化研究中的問題

在天線種類上來一幾何圖形來劃分，可以分為線天線和面天線，通過其原理則可以分為諧振類天線和行波類天線。其中，線天比較面天線更容易作分析，行波類天線可以調整的參數相較諧振類天線多，因此在研究之中，一般都以線天線與行波類天線作為主要研究對象。諧振類天線體積相對比較小，但是構造簡單，一般由多個諧振類天線構成天線陣用于使用和研究。而隨著科技的不斷進步，目前階段的天線技術也得到了極大的提高，其復雜程度也相應的提高了很多。這主要歸功于數值計算理論的持續發展，還有其他方面的軟、硬件的進步，在無線通信體系日漸發達的當下，對于天線技術的研究也提出了更高的標準和要求。因此，天線技術的研究與創新迎來了新的機遇和挑戰，在早期的無線通信設備中，大多采用的是外置天線，其外觀與結構都有著難以忽視的問題。在現階段的無線通信體系中，天線基本已經改為內置，而為了讓天線容易便集成，大多都是使用了平面天線與低姿態天線等。這些天線雖然在結構和功能上遠遠勝過外置天線，但其幾何形狀和材料特性也相比傳統天線復雜，也就無法做出精確、簡單的數學模型。在該類型的天線實際應用過程中，必須滿足相對較強的輻射效率;相對較弱的電磁干擾，還有能夠在多個頻段進行工作。而無線通信要求天線的體積不能過大，越小越好，而無線通信的小體積天線，往往無法滿足天線寬帶和效率等性能要求。這也就導致了在無線通信設備中的天線設計優化難度變的更高。在科技發展過程中，電磁場數字計算理論和計算方法已經得到了明顯的飛躍，但現階段的天線電磁場逆與綜合優化仍然處于摸索期，在實際設計中，普遍是依靠經驗和人工調解來進行設計優化的，這種方法的設計時間要求長且無法設計出最優性能的天線，無法對無線通信體系的天線高性能需求進行滿足。

在現階段的天線優化研究之中，已經證明了即便是如電源陣等最基礎的天線設計問題，都經常會出現強烈的非線性特征，還會出現多個局部最優點的問題。在進行天線設計的實際過程之中，特別是平面天線設計之中，其性能分析必須要使用電磁場數值進行計算，此外，各種設計應用需求的差異，可能會導致差異性甚至沖突性的性能要求標準。因此在進行平面天線的優化設計之中，因為電磁場數值分析應用于正問題時，會讓各種以梯度信息為基礎的傳統優化手段效率降低，無法作為最優方法進行設計，例如在模式搜索和擬牛頓法等一系列搜索策略之中，其對搜索空間有著較高的要求，進行多個極值點的非線性數學規劃問題過程中也無法確定搜索的最優解為全局最優解。這也造成了現階段，天線優化設計的優化算法基本上是通過目標函數值、具備了全局搜索能力的進化類優化算法作為主要算法，以這類算法為基礎，逐漸發展而出的多目標優化算法也逐漸受到了普遍的認可和應用。

二、多目標算法現狀

對天線進行優化設計之前必須要先將目標函數進行定義，在進行多目標優化時，首先明確優化目標，研究出滿足某一特定約束條件的特定矢量，這個特定矢量要滿足決策者的偏好，且對比其他的可能矢量更好。在此過程之中，必須要清楚多目標函數在大多數情況之下存在彼此沖突的現象，因為若不存在彼此沖突，該問題最終會變為單目標函數優化問題。以引入偏好來說，在現階段的優化研究之中普遍分為先驗和后驗。先驗是指在進行優化之前引入，企圖一次性解決決策者的偏好問題，直接找出最優解。后驗一般是存在解集，多個解構成的解集當中必須包含決策者所需要的解。在優化過程之中，決策者可以通過主觀判斷任意解的好壞，但是在實際的優化研究過程之中，很難使用數學語言去對該解的優劣進行表達，這也是限制使用先驗方法的最大因素，所以在目前的優化過程中，一般使用后驗的方法。而后驗的方法，普遍是在不預設偏好的情況之下，進行Pareto最優概念的引入，因為此過程涉及的目標函數極多，互相沖突，無法對多個矢量進行判斷，也就有了非控集的出現，非控集是沒有辦法進行改良的，也就是Pareto最優概念[3]，而這一解集也就是Pareto最優解集，在目標空間中的圖像便是Pareto前端。

三、天線多目標優化現狀

在目前階段多目標優化算法在天線優化設計之中應用廣泛，但目前的多目標優化理論與技術發展尚不完備，多目標優化問題的目標函數一般都是最為關鍵的性能指標，例如增益問題和阻抗問題等，而除了該項指標外基本都作為約束條件進行解決。而且，在目前的優化過程中，仍然有很多工作使用了加權的方式進行聚合目標，多目標優化的應用仍然處于發展和不成熟階段。

（1）目標函數在一般情況下存在多個極值點，具有線性程度高的特點。因此，在進行優化研究之中，多個目標函數的設計參數敏感程度也各不相同，十分復雜，這也導致研究中容易出現天線Pareto前端發生間斷點等問題。

（2）在進行天線的性能分析研究與計算過程中對于計算資源的需求十分巨大，在現階段的分析研究之中基本無法實現全局進化算法的全局收斂要求。在計算過程里，就算使用了基函數、響應面等多種降階模型，其計算資源的需求依舊難以達到要求。

（3）在目前階段的天線優化設計中，多目標優化設計一般都會選擇在三個目標之內，而實際的研究中并非如此，大部分的天線設計應該滿足的約束和性能指標普遍會大于三個，而且大部分天線就算是三個目標之內，Pareto前端仍然沒有辦法給出，普遍是給出多個非控解[4]。

（4）在具體的天線綜合問題之中，包含以下兩種約束條件，其一，幾何條件，該條件是在進行天線分析建模過程中的必須處理問題，若是不能對該類約束條件進行處理，其目標函數值不能計算，那么天線性能的研究分析工作也會隨之中斷。針對這個問題，在使用啟發性式搜索算法自動設計的研究過程之中，必須要對更復雜的建模約束條件進行設計、計算。在進行該項工作時，改進設計可能會受到人為限制調整參數的影響，特別是在平面類天線的優化和設計之中最為常見，而集體如何解決這個問題，目前尚沒有有效的定論。其二，設計偏好，該中約束條件主要取決于設計者，在加權式目標優化算法的應用之中，可以在一定程度上對設計者偏好的約束條件進行滿足，但是因為加權式目標優化算法存在很多問題，在現階段的研究之中已經很少出現。設計偏好的出現，能夠幫助計算機的資源得到很好的程度的減少，但在目前的天線優化設計之中，還沒有出現能夠將設計偏好融合于多目標優化的方法和手段。

目前的天線優化設計現狀之中，其主要問題是，現階段的以非控解集為基礎的各種多目標優化算依舊沒有出現能夠順利處理三個及三個以上的目標函數優化問題的方法。而目標函數的不斷增加，以非控解集為基礎的各種多目標優化算會逐漸轉變為盲目隨機搜索，呈一種退化的現象。在工程應用之中，天線優化設計有著多種約束條件，因此，天線的性能標準也是各不相同，存在較大差異，在完成優化問題的歸結之后，往往會出現超過三個目標需要優化的情況。該類問題大量出現在新型天線的開發設計當中，因為新型天線各個性能指標間的關系較難有準確認識，導致了設計方法也難以對其進行滿足。天線多目標優化在現階段必須要有高維，即目標數超過三個的多目標優化設計理論和技術支持，可以促進提升天線的設計優化時間，減少工程周期，還能夠幫助設計者加深對新型天線設計方案的認知，這一設計的意義巨大，有著非常廣闊的應用可能性。

四、結語

綜上所述，基于無線通信設備需求的新型天線設計與優化是現階段天線和微波研究的重要課題，天線的設計優良與否、性能高低等因素都會直接對通信體系造成巨大影響。而從電磁場逆這一方面進行探討，是新型天線設計與創新的主要研究方向，通過該方向對新型天線進行高維多目標優化設計，對于促進推動無線通信體系的發展，加強天線優化設計的進度，縮短設計研究周期時間，都有著非常重要的積極意義。

參考文獻：

[1]董健，欽文雯，李瑩娟，等.基于改進反向傳播神經網絡代理模型的快速多目標天線設計[J].電子與信息學報，2018，40（11）：2712-2719.

[2]范立行，華夢，黃永明，等.3D MIMO在無線攜能通信系統中的應用和優化設計[J].電子與信息學報，2018，40（5）：1031-1036.

[3]譚陽，唐德權，曹守富.基于超球形模糊支配的高維多目標粒子群優化算法[J].計算機應用，2019，39（11）：3233-3241.

[4]朱春陽，郭曉彤，孫浩然，等.基于極值點搜索和非支配排序的高維多目標優化算法[J].小型微型計算機系統，2018，39（1）：32-36.

課題：本文是湖南省教育科學研究工作者協會2018年高職高專教育重點課題，課題名稱：STEM教育理念下高職技術技能的培養途徑與策略研究

作者簡介：劉海妹（1981—），河北唐山人，本科，湖南安全技術職業學院副教授，研究方向：高等職業教育、電子信息與監控技術等。