新型天線高維多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計理論和技術(shù)研究

摘 要：天線是無線通信系統(tǒng)中不可或缺的重要元件，在時代的進(jìn)步與科技的不斷發(fā)展過程中，滿足持續(xù)增長的系統(tǒng)需求，提升通信系統(tǒng)的綜合性能，已經(jīng)成為了通信系統(tǒng)研究的重要課題[1]。本文主要闡述了新型天線高維多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計理論，并對其技術(shù)研究進(jìn)行了探討，希望能對促進(jìn)加強(qiáng)無線通信系統(tǒng)的進(jìn)步提供參考。

關(guān)鍵詞：新型天線;高維多目標(biāo);優(yōu)化設(shè)計;理論;技術(shù)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(jìn)行導(dǎo)行電磁波和輻射電磁波轉(zhuǎn)換的重要裝置。天線是直接和傳播信道進(jìn)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(fā)終端，天線技術(shù)對于整個無線通信的發(fā)展都有著巨大的影響。在現(xiàn)階段的天線技術(shù)研究中，如何對天線性能進(jìn)行改善，進(jìn)一步提高無線通信技術(shù)，是不可分割的關(guān)聯(lián)性課題。在進(jìn)行介質(zhì)加載電子幻想多波束天線的設(shè)計中，通信設(shè)備對于天線的體積大小和天線性能的要求很難達(dá)到統(tǒng)一，因此也必須在兩者之中做出調(diào)整，首先便是要通過實踐研究來了解加載介質(zhì)的物理限制以及其陣列構(gòu)型的特點，在實際的天線優(yōu)化設(shè)計之中，加載介質(zhì)材料有著其難以替代的優(yōu)勢，值得使用與推行[2]。

一、天線優(yōu)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(diào)整的參數(shù)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(gòu)造簡單，一般由多個諧振類天線構(gòu)成天線陣用于使用和研究。而隨著科技的不斷進(jìn)步，目前階段的天線技術(shù)也得到了極大的提高，其復(fù)雜程度也相應(yīng)的提高了很多。這主要歸功于數(shù)值計算理論的持續(xù)發(fā)展，還有其他方面的軟、硬件的進(jìn)步，在無線通信體系日漸發(fā)達(dá)的當(dāng)下，對于天線技術(shù)的研究也提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)和要求。因此，天線技術(shù)的研究與創(chuàng)新迎來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，在早期的無線通信設(shè)備中，大多采用的是外置天線，其外觀與結(jié)構(gòu)都有著難以忽視的問題。在現(xiàn)階段的無線通信體系中，天線基本已經(jīng)改為內(nèi)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(tài)天線等。這些天線雖然在結(jié)構(gòu)和功能上遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝過外置天線，但其幾何形狀和材料特性也相比傳統(tǒng)天線復(fù)雜，也就無法做出精確、簡單的數(shù)學(xué)模型。在該類型的天線實際應(yīng)用過程中，必須滿足相對較強(qiáng)的輻射效率;相對較弱的電磁干擾，還有能夠在多個頻段進(jìn)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(dǎo)致了在無線通信設(shè)備中的天線設(shè)計優(yōu)化難度變的更高。在科技發(fā)展過程中，電磁場數(shù)字計算理論和計算方法已經(jīng)得到了明顯的飛躍，但現(xiàn)階段的天線電磁場逆與綜合優(yōu)化仍然處于摸索期，在實際設(shè)計中，普遍是依靠經(jīng)驗和人工調(diào)解來進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化的，這種方法的設(shè)計時間要求長且無法設(shè)計出最優(yōu)性能的天線，無法對無線通信體系的天線高性能需求進(jìn)行滿足。

在現(xiàn)階段的天線優(yōu)化研究之中，已經(jīng)證明了即便是如電源陣等最基礎(chǔ)的天線設(shè)計問題，都經(jīng)常會出現(xiàn)強(qiáng)烈的非線性特征，還會出現(xiàn)多個局部最優(yōu)點的問題。在進(jìn)行天線設(shè)計的實際過程之中，特別是平面天線設(shè)計之中，其性能分析必須要使用電磁場數(shù)值進(jìn)行計算，此外，各種設(shè)計應(yīng)用需求的差異，可能會導(dǎo)致差異性甚至沖突性的性能要求標(biāo)準(zhǔn)。因此在進(jìn)行平面天線的優(yōu)化設(shè)計之中，因為電磁場數(shù)值分析應(yīng)用于正問題時，會讓各種以梯度信息為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)優(yōu)化手段效率降低，無法作為最優(yōu)方法進(jìn)行設(shè)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(jìn)行多個極值點的非線性數(shù)學(xué)規(guī)劃問題過程中也無法確定搜索的最優(yōu)解為全局最優(yōu)解。這也造成了現(xiàn)階段，天線優(yōu)化設(shè)計的優(yōu)化算法基本上是通過目標(biāo)函數(shù)值、具備了全局搜索能力的進(jìn)化類優(yōu)化算法作為主要算法，以這類算法為基礎(chǔ)，逐漸發(fā)展而出的多目標(biāo)優(yōu)化算法也逐漸受到了普遍的認(rèn)可和應(yīng)用。

二、多目標(biāo)算法現(xiàn)狀

對天線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計之前必須要先將目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行定義，在進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化時，首先明確優(yōu)化目標(biāo)，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(biāo)函數(shù)在大多數(shù)情況之下存在彼此沖突的現(xiàn)象，因為若不存在彼此沖突，該問題最終會變?yōu)閱文繕?biāo)函數(shù)優(yōu)化問題。以引入偏好來說，在現(xiàn)階段的優(yōu)化研究之中普遍分為先驗和后驗。先驗是指在進(jìn)行優(yōu)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(yōu)解。后驗一般是存在解集，多個解構(gòu)成的解集當(dāng)中必須包含決策者所需要的解。在優(yōu)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(yōu)化研究過程之中，很難使用數(shù)學(xué)語言去對該解的優(yōu)劣進(jìn)行表達(dá)，這也是限制使用先驗方法的最大因素，所以在目前的優(yōu)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(yù)設(shè)偏好的情況之下，進(jìn)行Pareto最優(yōu)概念的引入，因為此過程涉及的目標(biāo)函數(shù)極多，互相沖突，無法對多個矢量進(jìn)行判斷，也就有了非控集的出現(xiàn)，非控集是沒有辦法進(jìn)行改良的，也就是Pareto最優(yōu)概念[3]，而這一解集也就是Pareto最優(yōu)解集，在目標(biāo)空間中的圖像便是Pareto前端。

三、天線多目標(biāo)優(yōu)化現(xiàn)狀

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

（1）目標(biāo)函數(shù)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(jìn)行優(yōu)化研究之中，多個目標(biāo)函數(shù)的設(shè)計參數(shù)敏感程度也各不相同，十分復(fù)雜，這也導(dǎo)致研究中容易出現(xiàn)天線Pareto前端發(fā)生間斷點等問題。

（2）在進(jìn)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(xiàn)階段的分析研究之中基本無法實現(xiàn)全局進(jìn)化算法的全局收斂要求。在計算過程里，就算使用了基函數(shù)、響應(yīng)面等多種降階模型，其計算資源的需求依舊難以達(dá)到要求。

（3）在目前階段的天線優(yōu)化設(shè)計中，多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計一般都會選擇在三個目標(biāo)之內(nèi)，而實際的研究中并非如此，大部分的天線設(shè)計應(yīng)該滿足的約束和性能指標(biāo)普遍會大于三個，而且大部分天線就算是三個目標(biāo)之內(nèi)，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(jìn)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(jìn)行處理，其目標(biāo)函數(shù)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(fā)性式搜索算法自動設(shè)計的研究過程之中，必須要對更復(fù)雜的建模約束條件進(jìn)行設(shè)計、計算。在進(jìn)行該項工作時，改進(jìn)設(shè)計可能會受到人為限制調(diào)整參數(shù)的影響，特別是在平面類天線的優(yōu)化和設(shè)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(shè)計偏好，該中約束條件主要取決于設(shè)計者，在加權(quán)式目標(biāo)優(yōu)化算法的應(yīng)用之中，可以在一定程度上對設(shè)計者偏好的約束條件進(jìn)行滿足，但是因為加權(quán)式目標(biāo)優(yōu)化算法存在很多問題，在現(xiàn)階段的研究之中已經(jīng)很少出現(xiàn)。設(shè)計偏好的出現(xiàn)，能夠幫助計算機(jī)的資源得到很好的程度的減少，但在目前的天線優(yōu)化設(shè)計之中，還沒有出現(xiàn)能夠?qū)⒃O(shè)計偏好融合于多目標(biāo)優(yōu)化的方法和手段。

目前的天線優(yōu)化設(shè)計現(xiàn)狀之中，其主要問題是，現(xiàn)階段的以非控解集為基礎(chǔ)的各種多目標(biāo)優(yōu)化算依舊沒有出現(xiàn)能夠順利處理三個及三個以上的目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化問題的方法。而目標(biāo)函數(shù)的不斷增加，以非控解集為基礎(chǔ)的各種多目標(biāo)優(yōu)化算會逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槊つ侩S機(jī)搜索，呈一種退化的現(xiàn)象。在工程應(yīng)用之中，天線優(yōu)化設(shè)計有著多種約束條件，因此，天線的性能標(biāo)準(zhǔn)也是各不相同，存在較大差異，在完成優(yōu)化問題的歸結(jié)之后，往往會出現(xiàn)超過三個目標(biāo)需要優(yōu)化的情況。該類問題大量出現(xiàn)在新型天線的開發(fā)設(shè)計當(dāng)中，因為新型天線各個性能指標(biāo)間的關(guān)系較難有準(zhǔn)確認(rèn)識，導(dǎo)致了設(shè)計方法也難以對其進(jìn)行滿足。天線多目標(biāo)優(yōu)化在現(xiàn)階段必須要有高維，即目標(biāo)數(shù)超過三個的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計理論和技術(shù)支持，可以促進(jìn)提升天線的設(shè)計優(yōu)化時間，減少工程周期，還能夠幫助設(shè)計者加深對新型天線設(shè)計方案的認(rèn)知，這一設(shè)計的意義巨大，有著非常廣闊的應(yīng)用可能性。

四、結(jié)語

綜上所述，基于無線通信設(shè)備需求的新型天線設(shè)計與優(yōu)化是現(xiàn)階段天線和微波研究的重要課題，天線的設(shè)計優(yōu)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(jìn)行探討，是新型天線設(shè)計與創(chuàng)新的主要研究方向，通過該方向?qū)π滦吞炀€進(jìn)行高維多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計，對于促進(jìn)推動無線通信體系的發(fā)展，加強(qiáng)天線優(yōu)化設(shè)計的進(jìn)度，縮短設(shè)計研究周期時間，都有著非常重要的積極意義。

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課題：本文是湖南省教育科學(xué)研究工作者協(xié)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(shù)技能的培養(yǎng)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(shù)職業(yè)學(xué)院副教授，研究方向：高等職業(yè)教育、電子信息與監(jiān)控技術(shù)等。