文摘

遗传算法是一种随机的进化技术,其鲁棒性和全局搜索的解决方案空间让他们研究中颇受欢迎。他们已经成功地应用于电磁优化,包括天线设计以及智能天线的设计。本文广泛的参考文献相关的天线设计努力采用遗传算法,随后,三个小说天线系统的设计是为了提供现实的实现遗传算法。两个小说提出了天线系统的新的GPS /伽利略乐队,即L5 (1176 MHz),连同L1 GPS /伽利略和L2 GPS乐队(1575和1227 MHz)。第一个系统是一个修改PIFA,第二个是地平面螺旋天线上面。两个系统都表现出增强的性能特征,如充分获得面前,输入阻抗匹配和前后的比例增加。最后天线系统是一个五行切换寄生阵列定向波束宽度足以梁预先确定的方向和一个适当的阻抗带宽,可以用作WiMax接收机信号。

1。介绍

遗传算法(气)的基本原理及其应用在计算机系统中,荷兰(1和德容2在1975年,由戈德堡(详细描述3]。GA开始形成,通常是通过随机方式,初始种群的染色体(个人)。每个单独的性能评估目标函数和适应度函数,决定在每个优化问题的目标。一个高价值目标函数意味着一个好的染色体。创建初始染色体后,一个深思熟虑的选择策略决定了染色体将参加进化的过程。更具体地说,这些人通过随机进行转换,创建后代遗传算子,根据“适者生存”的统治逻辑。染色体相互交配(根据不同的技术)生的后代有父母双方的遗传物质,染色体。这两种类型的遗传算子构造交叉的新个体通过结合遗传物质从先前存在的突变,因此,修改的遗传物质合成的新个体。这种交配过程产生的新的染色体形成下一代染色体,染色体虽然不是不可能拯救从上一代和介绍。然后新的人口个人计算的性能。 In each generation the number of chromosomes is kept constant. This process is repeated for several generations, until a termination criterion is met [3- - - - - -8]。

GA有显著的优势,超过传统优化技术如下(8]。(我)它可以应用在任何的问题。(2)它在解空间进行一个普遍研究。(3)它不需要先验知识的优化问题。(iv)它不依赖于初始条件的搜索。(v)它优化连续或离散参数。(vi)它不需要导数信息的成本函数。(七)它能够很好地处理大量的变量。(八)它可以在多台计算机上并行运行。(第九)它优化变量成本相当复杂的表面。(x)它提供了一个列表的最佳参数,不仅仅是一个单一的解决方案。(十一)它可以编码参数。(十二)它可以处理数值数据,与实验数据或分析功能。

由于这些原因,天然气已经成为一个非常受欢迎的优化工具。他们的计算建模是应用在各种学科各种问题,如航空航天、运筹学,社会科学,量子物理学2,9- - - - - -11]。在电磁学领域,他们已应用于设计和优化天线和阵列的几何特征(12- - - - - -47],EMC问题[48,49),在多目标优化问题的数组,使用计算方法和优化问题(50- - - - - -58]。

现在还不确定最终解决方案提供的遗传算法是最优的。但在电磁问题的性质和在特定的天线设计和开发的问题,下面的规则(8,50),不绑定,通常贡献找到全局最优解,如果这当然存在。(我)选择适当的编码依赖于测试问题。然而,基因相关应放置在相邻位置的染色体。一个典型的例子是复数编码,两个基因是用于描述的振幅和相位,分别。(2)人口规模是一个关键因素。代的数量决定了他们是否会达到收敛和染色体的数量决定了好的解决方案将是收敛的。数量越大,更大的解决方案空间的百分比是调查。另一方面,这种方法提高了遗传算法的性能计算成本。(3)遗传算法的性能的一个重要参数是交叉概率这可能需要值在0.5和0.9之间。更高的价值提供更快的搜索空间解决方案。值在0.7和0.8之间被证明是有效的在大多数问题[5]。(iv)变异概率总是选择相对较小,一般0.15。值大于0.15使GA逃离当地的最适条件,但会导致删除个人优秀的性能接近全局最优,延缓或阻止收敛(7]。(v)使用精英主义的技术建议。

在设计天线或阵列与气体的方法,输出可以合成所需的辐射模式,最小化的旁瓣水平的辐射模式,图的构成与多个叶或null向特定的方向,和输入阻抗匹配的成就一个频率点或频率间隔。设计参数可能包括数组的元素的位置,大小,他们当前的作用,等等。

在[12)打印双波段天线设计,使用GA,改变其几何特征。减少旁瓣的方法提出了一种平面方形阵列(13),这是基于遗传算法的使用,修改每个元素的权重系数。在[15]GA和变异率高(30%),以减少电磁相互作用(耦合)两个VHF-UHF天线放置在军用飞机的机身。天然气的技术用于确定一组最优的激励系数和非均匀圆形阵列的最佳位置的元素(16),其目的是提取辐射模式,最大限度减少旁瓣水平最高,受到的约束不断的波束宽度。紧凑遗传天线组成的一组连接在系列和装有合适的负载设计(27]。天线的形状,元素的位置,加载的值使用实际编码的遗传算法进行了优化。在[29日)循环切换寄生的对数周期偶极子天线(对数)。整体结构是受到一个优化过程以达到显著的方向性和操作在3.1 GHz - 10.6 GHz频段带宽使用气体的技术。光束控制进行了对数周期天线通过选择哪一个是连接到信号来源。此外,讨论了宽带天线的设计方法使用气体(36),而GA优化垂直偶极子数组在地平面(37]。技术Schelkunoff法与遗传算法相结合的线性阵列的合成复杂的饲料系数和随机辐射模式中提到(39]。GA优化高指向性微带贴片天线和小型微带贴片天线已处理(46,47),分别。

表明,在59一个多准则优化问题。古典Yagi-Uda天线的设计和设计修改Yagi-Uda天线与额外的寄生元素在该地区活跃的元素,作为反射镜,特色。杂项目标函数,结合方向性要求,前后的比率,并检查输入阻抗。介绍了任何此类要求目标函数和有自己的权重。因此有趣的比较不同的利率重量为各种结构的古典和修改Yagi-Uda数组操作频率为2.4 GHz的特色,研究了最优解在认为他们获得的带宽。工作(60特别值得一提,开发一个定制的GA的成像,动态地改变机制(交叉和变异)在优化。融合加速,需要重新定义参数显著减少。效率的方法是在应用中所表现出的智能自适应阵列的高旁瓣是由适当的振幅和/或阶段选择元素的权重。

很多一直注意的概念为优质的应用程序开发智能天线利用天然气技术在一系列作品作者(61年- - - - - -63年),不同的阵列配置介绍了这类应用程序。更具体地说,61年)提出了一种宽带switched-parasitic数组适合switched-beam IV UHF波段的优质应用。宽带,七素switched-parasitic阵列有六个可用指令束叶设计的渠道51 - 69 V超高频波段(62年),而设计的一种新技术的宽带,圆形switched-parasitic数组用作便携式优质的接收器在[V超高频乐队了63年]。在[64年),设计一个优化电子可操纵的被动阵列散热器(ESPAR)天线,提出了便携式或移动优质的接待。最后,低成本和概要switched-beam数组,适合固定和便携式优质应用V超高频波段,提出了(65年),该数组包含八线元素躺在水平面和一组提供了转换梁的四种模式。

在论文的以下部分,修改平面倒f天线(PIFA)和螺旋天线提出了一个地平面以上三重频带GNSS (GPS和伽利略)操作L1 / L2 / L5乐队。他们的优势是显著的方向性,满意的喂线阻抗匹配,和足够的前后的比率。为了实现这些目标,配置都受到一种优化过程通过改变其物理尺寸。

传统的PIFA是描绘在图1。PIFA包括地面和顶面、互联与卖空地带和饲料线。通过改变顶板的尺寸,高度离地面飞机,和地平面的大小本身,共振频率和阻抗带宽的变化。首先,传统的设计和最终修改PIFA PIFA获得通过改变顶板的形状(插入孔)。

此后,螺旋天线有限广场地平面以上操作在轴向模式适合GNSS应用程序被认为是(图2)。地平面的存在提高了天线的带宽和方向性的性能。

此外,宽带循环切换寄生天线(CSPA)和两个活跃的元素,适合WiMAx的应用,提出了。考虑数组包含五个元素(偶极子);一个固定寄生元件放置在结构的中心,而剩下的四元素周围形成一个圆圈。作为显示在图3,两个相邻周边元素连接到相同的源信号的副本,而其余寄生元素是短路。主波束方向同时通过切换活跃的位置和寄生元素数组的周长。这个设计的目的是获得一个配置能产生四个方向辐射模式,覆盖整个方位平面与主横梁面向0°、90°、180°、270°。此外,3 dB的90°和相对旁瓣水平波束宽度不超过−6 dB和足够的输入阻抗匹配带宽是必需的。由于对称性,只有辐射模式指向0°需要优化。的频带进行问候(3300 MHz、3800 MHz)乐队为WiMax分配应用程序。优化参数包括中央元素的长度,外围元素的长度和半径的数组。

2。材料和方法

上述天线系统的仿真和设计是可行的援助SuperNEC软件包。SuperNEC是一个混合的妈妈,曼联(均匀的衍射理论)天线和电磁仿真程序。妈妈原语中可用代码线部分,而曼联原语支持介质涂覆盘子和椭圆柱面。妈妈是一个数值电磁技术用于计算wire-structured天线的辐射模式和输入阻抗(66年]。优化程序每执行结构采用遗传算法模块(包含在包67年]。

2.1。PIFA的设计修改

软件兼容性原因,地面飞机,顶板,卖空地带PIFA建模的线栅板。此外,喂线很兴奋的电压源(图应用领域4)。最后PIFA结构以这样一种方式实现的输入值为每个组件定义的维度给出了这种结构的连接段的数量,而不是它们的物理值。考虑这段长度(seglen)是波长的一小部分,λ在1575 MHz,电气PIFA的大小保持不变。这个概念通过处理确保兼容性SuperNEC PIFA结构设计过程。每段长度选择等于seglen = 0.05λ。

参数的变化参与了GA优化过程包括在表1。电压驻波比的最佳值(电压驻波比)是1(50Ω的特性阻抗与参考价值)和所需的增益是9 dBi。目标函数()用来评估给出的解决方案(1)。这个函数是建立在SNEC,启用了用户,以确定所需的电压驻波比和增益值: 在哪里3个频率的兴趣点(1575、1227和1176 MHz),和在前面获得(,)和电压驻波比的值指的频率点。

人口总数由250代,每一代60染色体。选择方法是人口大量毁灭,而相邻健身配对是交配的方案。交叉点是随机抽取的,每个染色体被划分在基因水平上。变异概率等于0.15。

为了获得一个更合适的配置,将更加符合设计约束,顶板的形状被删除部分手动修改。结果结构因此修改PIFA,描绘在图4,它的尺寸是大约17.1厘米×14.28厘米×2厘米。

2.2。螺旋天线的设计地面飞机

螺旋天线的SNEC实现地面板显示在图中5。每个遗传算法解串螺旋几何(代表相应的不同参数)由可能的值之间的空间螺旋,螺旋长度,半径的底部和顶部,和方盘的大小。上面的高度螺旋导电面和线半径保持不变,是等于1厘米和4毫米,分别。

设计要求是达到一个值1和9 dBi的电压驻波比和增益面前,分别;因此,目标(1使用)。选择方法是人口大量毁灭,而相邻健身结对是交配计划。交叉点是随机抽取的,每个染色体划分在基因水平。变异概率等于0.15。GA的变化区间结构参数和遗传算法的实现算法的最终结果中描述表2。

2.3。设计的循环切换寄生数组

的SNEC实现5-element CSPA天线,与两个相邻周边元素活跃,一个中央寄生元件短路,剩下的外围寄生元件短路,上面一个正方形线栅板显示在图中6。

正如已经指出的那样,只有辐射模式指向0°需要优化。其他三个图,形状相同,唯一的区别是主要梁在90°方向,面向180°和270°,分别得到了在相邻的活跃元素在数组以旋转的方式交换,因为这个数组的对称的展品。

一组360点用于指定的辐射模式。让的方向性决定1°的角度一步最大的方向性。

形成目标函数,如下所示(68年]。

在主瓣,这是由考虑到89点,误差项 在哪里阶跃函数定义为 在主瓣结束所需的叶级是3 dB低于最大增益;因此,相关误差项 主瓣以外,存在269点,相对旁瓣水平不应超过−6 dB。因此,误差项 为了同时达到驾驶阻抗匹配到50Ω喂线在每个有源元件,一个额外的计算误差项 在哪里和对应于输入阻抗的实部和虚部,分别。

考虑到设计过程旨在实现所需的属性在一个频段,到目前为止所描述的过程重复的离散频率躺在这个乐队和总累积误差计算 在哪里 在带宽间隔均匀分布频率点和是相对误差是指频率点。

总发现错误后,目标函数估计

在具体设计,5个频点是参与整个过程,均匀分布的区间(3300 MHz、3800 MHz),为了保证最终的配置展品宽带属性对辐射模式和输入阻抗。

让波长在3800 MHz。在表3,每个组件的范围参数参与优化过程。每个元素的线半径是0.008。总共250代模拟,60每一代染色体。选择方法是人口大量毁灭,而相邻健身结对是交配计划。交叉点是随机选择,每个染色体划分在基因水平。变异概率等于0.15。

3所示。结果

3.1。修改PIFA的数值结果

在表4生成的配置的属性进行了总结。

电压驻波比变化PIFA绘制在图的修改7。

的远场模式PIFA绘制在图8。因为它可以从这个图中,最高增益的计算(,)方向。其价值是完全适合GNSS的应用程序,这个天线是为了操作。

3.2。数值结果的平面螺旋天线地面

导致结构的尺寸大约10厘米×10厘米×10厘米,因为它可以从表中提取2。在表5它的属性进行了总结。

显著特征关系到低电压驻波比的值,也总是低于2。

螺旋天线的电压驻波比的变化是绘制在图9。

螺旋天线的远场模式是绘制在图10。因为它可以从这个图中,最高增益的计算(,)方向。其价值是完全适合GNSS的应用程序,这个天线是为了操作。

3.3。数值结果的循环切换寄生数组

算法的最终结果包括在表中3。在图11,电压驻波比的变化在每个频带内馈点(3300 MHz - 3800 MHz)绘制。重要的是,保持电压驻波比为整个频率低于2感兴趣的区域。

这种结构的方位远场辐射模式在3300 MHz, 3500 MHz和3800 MHz也呈现在图12。辐射方向图的形状通常满足规范3300 MHz的频率范围内- 3800 MHz。提供了更多的细节表6。

使用这个特定的天线系统的主要优点包括以下。(我)在衰落环境中用户有可能选择在四个预定义的梁提供了最高的信号电平。(2)因为它可以从表中提取6数组,展品前显著增加(4.5 - -6.3 dBi),优于传统的偶极子已经用于WiMax应用程序。这可以被证明是非常有效的情况下,Wimax服务提供者不允许增加辐射功率来改善他们的报道。(3)其整体规模被认为是相当紧凑,因此容易被安装。

4所示。结论

本文旨在提出新的挑战和进步天线工程中天然气领域的方法。首先,应用GA几个天线设计和优化问题涉及不同领域的兴趣是引用。随后,以演示如何使用GA在天线设计中,三个天线系统开发,提出了现代商业应用:修改PIFA GNSS解决方案和螺旋天线和WiMAx的水疗中心的解决方案。在所有这些情况下,天线结构优化设计的搜索,每个成员的人口在GA天线代表一种可能的解决方案,因此它的电磁特性进行了分析。通过应用GA的机制,最后导出配置,满足设计要求。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

承认

这项工作是“HIPOW”欧盟支持的研究项目(“保护关键基础设施对高功率微波威胁”HIPOW——fp7 -秒- 2011 - 284802)之下。