基于遺傳算法的超寬帶微帶天線優(yōu)化設計

孫思揚 呂英華 張金玲 喇東升 趙志東 阮方鳴

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

1.引 言

自從美國聯(lián)邦通訊委員會(FCC)將3.1～10.6 GHz之間的頻段分配給超寬帶(UWB)無線通信業(yè)務使用之后，超寬帶技術以其高傳輸速率及較強的抗多徑干擾能力在短距離高速無線通信領域引起了全球范圍的廣泛關注。在UWB系統(tǒng)中，結構緊湊，低成本，易于集成的UWB天線的研究設計成為最近幾年研究的一個熱點。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)境中的遺傳和進化過程而形成的一種自適應全局優(yōu)化概率搜索算法。它最早由美國密執(zhí)安大學的Holland教授提出，起源于60年代對自然和人工自適應系統(tǒng)的研究。作為一種全局優(yōu)化搜索算法，遺傳算法以其簡單通用、魯棒性強、適于并行處理等顯著特點，在圖像處理、組合優(yōu)化、自動控制等眾多領域獲得了成功的應用[6]。

隨著微帶天線設計理論與技術的不斷發(fā)展，遺傳算法開始引入到微帶天線設計中來[7-11]。通過遺傳算法對天線的結構參數(shù)進行全局優(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用于超寬帶微帶天線設計，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。在此基礎上，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，并通過在接地板上蝕刻縫隙以改善阻抗匹配。對所設計天線的輸入端反射特性及輻射方向圖進行了仿真分析。結果表明：該天線在3～11 GHz頻段內的回波損耗小于-10 dB，完全可以覆蓋FCC分配給UWB業(yè)務的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，并對其編程實現(xiàn)。該工程包含兩個功能模塊：遺傳算法模塊和適應度模塊，如圖1所示。

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

1) 產(chǎn)生每個個體的結構參數(shù)，并將其傳遞給適應度模塊；

2) 接收由適應度模塊計算并傳遞來的個體的適應度值；

3) 對接收來的個體適應度值進行循環(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)并顯示結果。否則，基于適應度值，將選擇、交叉、變異算子作用于當前種群，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)化工程的結構圖

圖2 遺傳算法模塊結構圖

適應度模塊實現(xiàn)計算適應度值的功能，如圖3所示。它執(zhí)行以下三個步驟

圖3 適應度模塊結構圖

1) 接收個體的結構參數(shù)并解碼，調用HFSS軟件計算個體的電特性參數(shù)；

2) 將HFSS計算得到的電特性參數(shù)，如回波損耗，代入所設計的適應度函數(shù)計算個體的適應度值；

3) 將得到的適應度值返回遺傳算法模塊以進行遺傳操作。

本文的目的是利用遺傳算法對天線的結構參數(shù)進行優(yōu)化，從而得到超寬帶的頻率特性。目標頻段為3～11 GHz，要求在此頻段上的回波損耗小于-10 dB?；谏鲜隹紤]，適應度函數(shù)定義為在目標頻段上回波損耗值(S11)的平均值。

(1)

(2)

上述方程中，fi為目標頻帶內的抽樣頻率。如果這些抽樣頻率處回波損耗值(S11)的平均值小于-10 dB，則認為達到設計目標，程序跳出循環(huán)并顯示結果。

在本設計中，抽樣頻率fi均勻分布于3～11 GHz頻段，間隔500 MHz。

3.天線結構設計

本文所設計的超寬帶平面單極子天線結構如圖4所示。天線的輻射單元為一內外半徑分別為R2，R1的圓環(huán)型薄片，印制于42 mm×30 mm(L×W)的FR4介質板之上。接地板位于介質板的另一側，采用矩形結構，其上蝕刻有尺寸分別為L1×W1，L2×W2的矩形縫隙，用以調節(jié)阻抗匹配。此外，間距L3用于調節(jié)圓環(huán)形輻射貼片與接地板之間的電磁耦合。

圖4 天線結構示意圖

在本設計中，縫隙尺寸(L1，W1)，(L2，W2)，圓環(huán)內外半徑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，對其進行全局優(yōu)化。

4. 結果分析

在上述分析的基礎上，本節(jié)利用遺傳算法對所設計天線的結構參數(shù)進行全局優(yōu)化，并對天線性能進行了仿真分析。遺傳算法優(yōu)化之后所得到的天線的結構參數(shù)如表1所示(單位：mm)。

表1 所設計天線結構參數(shù)的優(yōu)化結果

利用電磁仿真軟件HFSS對優(yōu)化得到的天線的電特性進行仿真。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，天線輸入端的回波損耗在3～11 GHz頻段范圍內均小于-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，本文對天線的輻射方向圖進行了仿真研究。選擇的三個頻點分別為3.5 GHz，8 GHz，10.4 GHz。圖6中(a)～(f)分別給出了上述三個頻點處天線的E面和H面的方向圖。由圖可見，在整個頻帶內，該超寬帶天線在H面內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。而對于E面，在整個頻段內，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 論

本文成功地將遺傳算法用于超寬帶微帶天線設計。建立了基于遺傳算法和電磁仿真軟件HFSS的優(yōu)化工程。在此基礎之上，優(yōu)化設計出了一款新型超寬帶微帶天線。該天線在結構上采用圓環(huán)形輻射貼片，并通過在接地板上蝕刻縫隙以調節(jié)阻抗匹配。研究結果顯示：其在3～11 GHz頻段內的回波損耗小于-10 dB，且具有良好的輻射特性。這充分說明了該優(yōu)化工程在超寬帶微帶天線的設計優(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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