基于遺傳算法高增益單極子天線設計

楊濤 朱家梁

摘要：為了滿足實際電子對抗領域的需求，在有限空間內設計了一個UHF頻段的雙頻單極子天線，并使用數值軟件中編寫的遺傳算法（GeneticAlgorithm，GA）聯合電磁仿真軟件仿真的方式，設計并優化了匹配電路，使得天線在保留原有增益的情況下顯著地提升了帶寬。使用算法優化后的天線在135～175MHz，270～300MHz駐波比小于2.5，帶寬是優化前的3倍，增益能滿足使用要求。

關鍵詞：遺傳算法；多頻帶；單極子天線；天線綜合

中圖分類號：TN821文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2022）15-53-5

0引言

隨著通信系統的發展，天線在無線通信系統中的作用逐漸變得不可或缺，而現代通信中電子對抗和保密通信等相關需求的產生，使得傳統窄帶天線已經不再能滿足天線多頻帶、寬帶和高增益等的需求，同時，移動平臺（車載、機載和吊艙）上可供安裝天線的位置十分有限，這也對天線的小型化設計提出了新的需求，因此一些小型化的寬帶高增益天線逐漸進入人們的視野。

鞭天線由桿狀金屬柱天線和金屬反射面地板構成，其因為橫向尺寸很小的特點而被廣泛地應用在通信領域，在一些尺寸受限的環境中（如地面電臺、飛機、潛艇吊艙和單兵背包）能夠很好地發揮其性能。其中UHF/VHF頻段作為移動通信的重要頻段，鞭天線的使用更為廣泛，然而這一頻段的全向鞭天線一般尺寸較大，不利于在一些有尺寸限制的場景中使用，因此需要對鞭天線做小型化、輕量化設計。

在鞭天線的設計中，寬帶、高增益和小型化是相互制約的，小型化的設計限制了天線的尺寸，使得天線無法在低頻段獲得良好的匹配，天線的增益會受到影響；其次，為了擴展帶寬，就需要加入阻抗匹配電路，實現寬帶的阻抗匹配[1-3]，RLC電路的損耗也會一定程度上降低天線的增益，使得小型化和寬帶匹配都會和高增益存在諸多矛盾。因此寬帶、高增益和小型化是天線設計中需要綜合考量設計的幾個方面，需要做到合理分配和綜合優化。

天線綜合技術是綜合上述需求的天線整體設計方法，由于每一種設計方法的適用范圍相對有限（例如加粗天線增加帶寬的方式會使得天線的橫截面增加進而影響天線的輕量化，增加阻性元器件會在改善天線匹配的同時損失天線的增益等）。因而，使用綜合設計的方式能夠兼顧天線的小型化、輕量化等需求，同時在增加天線原帶寬的基礎上盡可能保證增益，在天線的諸多要求中尋求一個合理的平衡，實現天線的最優化設計。

本文通過綜合優化的方式，使用遺傳算法（Genetic Algorithm，GA）聯合CST和ADS進行天線和匹配電路的綜合設計，根據電子對抗的實際需求，設計了一個工作在135～175 MHz，270～300 MHz的雙頻單極子天線，在全頻帶內天線駐波比小于2.5；通過匹配電路的綜合優化，使得原天線的低頻帶寬從14 MHz增加到46 Mhz，同時通過遺傳算法優化匹配電路的方式，減小了匹配電路中有耗原件的阻值，在駐波比滿足要求的情況下盡可能地保證了天線的增益下降最低，使得在最低頻率增益僅下降1.91 dB，在部分諧振區域增益不變或提高。最后，將匹配電路帶入全波仿真軟件進行了驗證，其結果和綜合設計路仿真結果基本一致，能很好地實現在該頻段電子對抗的功能。

1單極子天線設計

一般情況下，吊艙天線相比其他天線在尺寸上的限制會更為嚴格，受限于吊艙預留位置的問題，往往難以在有限的空間內設計達到良好的空間匹配效果。如圖1所示，吊艙放置位置有較為嚴格的限制，單極子縱向長度最大值max=600 mm，因此將單極子的縱向高度最大值按照=max=600 mm設計。

在單極子天線的優化過程中，往往將天線部分的優化和匹配網絡的優化分開處理，這是因為優化天線是為了得到好的輸入阻抗和好的輻射方向圖，優化匹配網絡的目的是得到好的輸入阻抗，而匹配網絡只影響饋電端的輸入匹配，并不會影響到天線的輻射方向圖，與天線部分的特性相對獨立，可以以路的方式進行設計和仿真，分離兩部分進行設計可以一定程度上降低全波仿真和設計的難度。天線部分的優化側重優化方向圖，匹配網絡的優化側重優化駐波比，這樣的側重優化，能簡化優化時間，同時得到最好的優化結果。

可以看到，加入RLC電路后，諧振點的位置向中頻偏移，其中低頻從131 MHz偏移到158 MHz，高頻從368 MHz回落到296 MHz，2個頻段均為電子對抗所需的目標頻段，通過RLC調節，實現了雙頻諧振向不同方向移動的目標。

值得注意的是，在優化過程中，諧振頻率與LC的值大致呈現負相關趨勢，并且對低頻的諧振影響更為明顯，除此之外，電感的增大能使得天線的低頻諧振帶寬增加，低頻中心頻率處的匹配會劣化，而電容的增加能使天線的低頻諧振處中心頻率的匹配得到優化，但會使得低頻諧振的帶寬下降，這與理論是一致的。

在加入RLC電路后，鞭天線的回波和增益情況如表1所示。可以看到，加載RLC電路可以很好地調整諧振位置，但對于帶寬的擴展能力是有限的，并且根據算法優化的過程可以得出，帶寬的擴展是以匹配的劣化為代價的，并不能在保證良好匹配的情況下得到滿足天線帶寬的要求，考慮到天線尺寸的限制，需要通過引入匹配電路的方式實現良好匹配下帶寬的擴展。

2遺傳算法及匹配電路設計

根據分析可知，僅僅通過加載RLC并不能很好地拓展帶寬和降低駐波比，因此需要引入匹配網絡來改善天線的匹配情況以達到擴展帶寬的目的[4-6]。通過遺傳算法聯合路仿真的方式優化匹配網絡中各個集中元器件的參數，使目標天線實現擴展帶寬和盡可能減少增益損失的目標。

遺傳算法是基于進化理論和遺傳基因原理的智能搜索優化方法，通過將仿真中的參數提煉成基因種群，優化基因樹從而影響表達的方式來優化參數所表達的特性參量；而優勝劣汰的模式則是通過適應度函數決定，根據適應度函數值表明待篩個體與目標個體的差異，摒棄劣質染色體，生成更能適應目標特性的個體，種群就這樣一代一代進化，最后找到一組最優的個體，求得問題的最優解。

遺傳算法示意如圖5所示，在遺傳算法的優化過程中，最為核心的是確定優化適應度函數，適應度函數的設定決定了優化的方向，同時合適的適應度函數選擇也能減少優化迭代的次數。

值得注意的是，由于遺傳算法本身的局限性，會使得單一運算的結果存在一定的可能遺傳進化到局部最優解的位置，因此在通過遺傳算法優化的過程中，需要對于目標函數的初值進行合理選取，對優化過程進行一定程度的多次迭代，盡可能地避免局部最優解的產生。

根據算法可得，當設置1min=136，1max=175，2min=270，2max=300，時，可優化得到在增益損失最小前提下的最大帶寬，其回波參數如圖7所示。可以看出，在136～181 MHz范圍內，11≤7.2 dB，駐波比小于2.5，在274～302 MHz，11≤7.2 dB，駐波比小于2.5。

為了得到更好的駐波比，匹配電路設計和優化的過程中，不可避免地引入了阻性原件，這會導致單極子在回波優化的同時，不可避免地改變各個頻點的增益值，因此需要對匹配電路和單天線的全波仿真結果進行聯合場路聯合仿真；通過在電磁仿真軟件中加入匹配電路，將匹配電路末級匹配輸出作為天線饋電端口的方式進行天線仿真設計，可以得到天線在加入匹配電路之后的增益情況。為了驗證電路仿真實驗的準確性，除了場路聯合仿真外，還在全波仿真軟件中進行了匹配電路的還原設計和全波仿真，將聯合優化的路仿真結果加入到全波仿真軟件中進行全波仿真，可以得到加入匹配網絡之后天線的增益情況。其仿真模型如圖8所示。圖中單極子天線和圖3一致，在背面加載了RLC原件和等效傳輸線。

路仿真和場仿真的結果對比如圖9所示。

由圖9可以看出，全波仿真結果和ADS仿真差距不大。其中LCdegCR為在全波仿真軟件中全波仿真的11，LCdegCR_ads為在路仿真的11。

不同頻率加載匹配電路前后方向圖增益變化如圖10所示。

從圖10可以看到，加載匹配電路之后，低頻帶寬從13 MHz增加到45 MHz，從9.7%增加到29.7%，帶寬增加了3倍，同時最低頻136 MHz增益僅衰減1.89 dB，整體增益情況影響較小；高頻帶寬從9 MHz增加到28 MHz，從3%增加到9.72%，帶寬增加了3倍，很好地實現了在保證低頻增益的情況下擴展了帶寬，滿足了電子對抗領域雙頻天線的需求，其加載優化的匹配電路前后增益變化情況如表4所示。

3結束語

本文根據實際電子對抗領域的需求，基于遺傳算法在有限空間內設計了一個UHF頻段的雙頻單極子天線，通過優化單極子天線上RLC諧振的方式優化了諧振位置，并使用Matlab遺傳算法聯合ADS和CST仿真的方式，設計并優化了匹配電路，在保證保留原有增益的情況下顯著地提升了帶寬，使得在135～175 MHz，270～300 MHz的2個目標頻率范圍內帶寬均提升了3倍，最低配增益下降僅1.89 dB，在增加帶寬的同時保留了原天線的高增益。該天線的設計方法通過將遺傳算法和天線設計相結合，優化場路聯合仿真結果，并通過全波仿真的方式驗證結果的準確性，實現了通過適應度函數調整的方式精準優化天線的特性參數，能夠在限定的條件下得到與目標天性性能最匹配的天線尺寸和加載參數，具有廣闊的應用前景。

參考文獻

[1]楊董，姜興.基于EDA雙鞭天線及匹配網絡的設計[J].現代電子技術，2009，32（24）：86-87.

[2] ALTSHULER E. The Traveling-wave Linear Antenna [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation，1961，9（4）： 324-329.

[3] HALLEN E. Electromagnetic Theory [M]. London： Chapman& Hall， 1962.

[4]吳廣德，傅光.傳輸線在寬帶匹配中的應用[J].電子科技， 2007（2）：12-14.

[5] RODRIGUEZJL，GARCOA-TUNONI，TABOADAJM，etal. Broadband HF Antenna Matching Network Design Using a Real-coded Genetic Algorithm [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2007， 55（3）： 611-618.

[6]丁霄，姜興，李思敏.基于遺傳算法的寬帶匹配網絡設計[J].桂林電子科技大學學報，2006，26（6）：438-441.