优化和基于宽带天线的设计因素

文摘

基于设计的宽带天线因素。首先,volume-surface积分方程(VSIEs)和自适应差分进化算法(DEA)的基本理论介绍了优化天线。其次,我们研究的计算任意形状的结构,旨在设计一个天线最大带宽通过最小化的天线。这种方法更有效计算的值在特定频率点,避免了直接优化带宽。第三,一个集成的方法结合上述方法VSIEs和自适应DEA是用来优化宽带天线,其带宽从11.5 ~ 16.5 GHz延伸到7 ~ 20 GHz。最后,优化天线是捏造和测量。测量结果与模拟结果相一致,证明了该方法的可行性和有效性。

1。介绍

宽带通信系统一直画相当大的注意力对于研究者和产业界由于他们所提供的优势如高数据率、紧凑的系统规模和低功耗。天线是任何无线设备不可或缺的组成部分。无线电系统的最优性能很大程度上取决于有效的天线的设计。所以宽带天线的研究已成为一个热点话题(1]。许多研究人员设计了超宽带(UWB)的品种近年来天线具有良好的性能。Samal et al。2)提出了一个超宽频所有文本与完整的地平面天线off-body身体无线区域网络(WBAN)应用程序。的关键创新提出了天线的使用相当大的和完整的地平面,从而避免了耦合,因此人体的能量吸收。宽带天线理论还不成熟,其设计主要是基于经验与仿真软件,造成时间的浪费。有些研究人员试图设计宽带天线数值方法和优化算法。Ou et al。3)提出了一个方法结合遗传算法(GA)和矩量法(MoM)优化宽带天线。方法在频域和频率范围优化是有太多太大了应计算,这花费了太多的时间。金等。4基于GA)优化了超宽频天线的时域有限差分(FDTD)。然而,FDTD是复杂的准则和FDTD)是基于不同操作,低精度与妈妈相比。因此,我们应该寻求更有效的方法来设计宽带天线。我们可以发现,因素是天线的大小有关。大尺寸天线占据,小天线。此外,天线带宽也有关的因素。越小更广泛的天线带宽。因此,我们可以推断的减小天线尺寸和带宽的增加在天线设计的过程是矛盾的。在本文中,我们试图实现以下目标。制作天线的大小是尽可能小5,6]。所需的天线带宽是尽可能广泛。为上述目的,我们有两个选择决议:一是设计天线的最大带宽情况下,天线体积满足系统需求,另一个是设计天线的最小体积对于天线性能满足系统需求。本文将从第一个决议增加天线带宽优化的因素。

本文的其余部分组织如下。节2的基本理论,包括volume-surface积分方程(VSIEs)和自适应差分进化算法(DEA),介绍了。任意形状的因素结构研究了部分3。基于设计的宽带天线节因子4。最后,部分5是结论。

2。基本理论

2.1。Volume-Surface积分方程

积分方程方法已被广泛用来解决电磁(EM)问题由于其独特的优点与其他数值方法,如有限差分和有限元方法(FEM)。封闭空间域格林函数可以用来研究微带天线与无限地平面(7]。然而,这种方法不能适用于天线有限地平面。微带天线的贴片可以加工可以加工表面积分方程和底物体积积分方程。因此,VSIEs,计算精度高,可用于分析具有任意形状的天线。

假设有一个包含完全导电表面的天线和介质卷,有RWG基函数和SWG基函数;矩阵方程的基础上,妈妈可以表示为 在哪里 在哪里是th SWG功能和基础是RWG基函数。下标的(导体)和(介质)(3)是用来表示,源或测试基础功能在导体和介质,分别。例如,表示导体和介质之间的相互作用。

母亲阻抗矩阵的建立,天线性能可以通过MATLAB编程的基础上,分析了VSIEs [8]。

2.2。自适应差分进化算法

摘要妈妈是用来分析天线,所以需要一个优化算法设计天线结合了妈妈。DEA,最快的一个优化算法,有很多优势,如简单的过程,和快速收敛性,鲁棒性好。DEA的参数只需要设置一次,这些参数可以被重用在其他情况下(9,10]。天线结构的优化通常是集中在天线的保留或删除网格对应于二进制编码。作为标准DEA是真实的编码,我们需要把它转换成二进制编码。二进制编码自适应DEA的过程,用于优化天线结构,解释如下。

2.2.1。初始化

人口应该初始化随机自适应DEA的开始,由向量。每个向量代表一个可能的解决方案对应一种天线的结构。它可以表示为 在哪里向量数量和吗是生成的数字。

2.2.2。变异操作

变异向量在标准DEA可以获得的 在(6),,,从人口和随机选择的指标吗是突变控制参数。在二进制编码DEA,变异向量可以表示为 “+”在哪里”或“运营商”“是”和“操作符,“”是“异或”运算符。中的每个元素与某些概率1或0。

2.2.3。交叉操作

为了增加种群的多样性,进行交叉操作。试验向量成为 在(9),是代码的长度,是一个数字从一个统一的随机分布在,CR crossover指数。

为了避免过早收敛,提高局部搜索能力,可以设置CR与一代(11),它可以被定义为 在哪里和的上限和下限吗根据实际的问题。目前这一代,我们最多的一代。

2.2.4。选择操作

后代矢量代替父亲只有当它产生更高的价值比父亲在下一代向量,可以表示为 在哪里,是父亲和后代的健康值向量,分别。

3所示。任意形状结构的因素

Kenneth s . Johnson,第一个提出的概念因素,定义电阻值的电感值的比值。楚(12用球面波来表达存储和辐射能量最小的限定范围外的天线结构,和方法一直占据着小天线,提供了许多研究结果的因素。这个理论后来延长哈灵顿(13包括圆极化天线和表示为 在那之后,麦克莱恩(14)一遍小天线的情况下(15),表示作为

早期作品(12- - - - - -14)不考虑实际的电流分布,所以他们必须只处理边界封闭领域的相关维度。更重要的是,楚大量使用近似的结果。因此,早期作品有限制在指导天线的设计理论最小值或最小大小。

近年来,需要小。16和内克等。17)被认为是能量限定范围,发现新辐射限制。内克绑定时仅仅是正确的它可能不是有效的高频或与大尺寸天线。

许多其他作家都遵循了同样的路径和的散热器在不同情况下(18]。但总的来说,计算的重点是窄带天线,限制在指导宽带天线的研究。

因素是应用于宽带天线的计算。为了介绍因素的情况下宽带天线(19,20.),我们需要从最原始的表达的因素。根据相关文献[21),对于任意的散热器,的表达可以写成 为了计算天线,应获得辐射功率,时间平均存储电能,时间平均储存磁场能量。通过使用方法(22),我们可以得到 的严格表达式通过上面的计算,可以用在任何散热器。天线只对小带宽成反比,高吗,single-resonant天线(23,失去了能量的储存能量的比例每一个周期不是唯一的部分带宽成正比24]。针对单一在共振频率,上面的表达式是正确的,但在本文中,我们专注于宽带天线,和优化的总和。之间的关系的总和和天线带宽是复杂的。总之,与增长的总和天线带宽变得狭窄。

一般来说,我们可以优化直接获得天线与特定的带宽。但对于宽带天线,带宽的优化范围太大太多的频率点计算方法。如果需要的最大带宽,优化频带范围可能还不够,需要优化的范围日益扩大。因此,获得的最大带宽不能直接优化带宽,它只能满足特定频带的要求。如果因素是作为优化功能,上面的问题很容易解决。

我们发现辐射功率的表达式,时间平均存储电能,和时间平均存储磁能类似于母亲VSIEs的阻抗矩阵,电流基函数和乘法的吗是电动标量乘法的潜力。

当优化天线带宽的妈妈,我们通常确定删除或保留母亲阻抗矩阵的行和列来达到优化目标。类似的“母亲”矩阵计算的同时存储电磁能量和辐射功率。如图1通过优化天线贴片的形状,删除的行和列,在辐射功率矩阵将被删除。优化后的系数矩阵乘以表面电流或电位移矢量。的模块矩阵中所有元素的总和计算存储电磁能量和辐射功率,可以很容易地获得值在某一频率点。

Cismasu和Gustafsson25)优化移动终端天线,其工作重点是窄带。他们没有比较之前和之后的优化天线带宽。我们扩展这个宽带天线的研究,可以阐明设计的宽带天线。

4所示。设计基于宽带天线因素

使用上面的分析,将优化天线。球拍的拓扑形状的天线如图2。天线的具体尺寸如表所示1。天线是印在10毫米×10毫米×0.5毫米聚四氟乙烯基板相对介电常数2.65。天线是由微带线,位于底部的天线。为了扩展天线的带宽,阻抗匹配技术将被使用。正如我们所知,将积聚在突然的结构,增加了储存能量和减少导致天线的带宽。存储的能量将减少在锥形结构,将天线的带宽。红弧梯度结构,由两个椭圆,采用微带线和补丁。两个椭圆的中心放在坐标(−−1.5毫米,3.5毫米,0毫米)和(−3.5毫米,1.5毫米0毫米),分别。短轴,长度为1.2毫米,在方向和长轴,长度为2.5毫米,在方向。两个椭圆连接到圆片,避免突然的出现结构。阻抗匹配方法可以逐渐改变沿传输线阻抗降低信号反射(26]。

为了设置优化目标,我们需要首先研究现有天线的性能。的和之前的天线优化数据所示6和7,分别。的在共振频率可以直接扩展带宽优化谐振天线。然而,据我们所知,对于宽带天线,没有优化的研究。为此,在本文中,我们考虑结合因素与妈妈优化宽带天线。为了确保天线带宽是尽可能宽,我们进行的优化在几个频率点获得最低的总和,和相应的天线将理论上的最大带宽。凸优化(27),研究了一些相关文献,可以用于优化。但它只能用于窄带天线的优化治疗一些数学只在窄带天线的情况下是正确的。摘要DEA,可以使用在任何情况下,将被应用到优化的宽带天线。

从数据可以看出6和7优化前的天线工作在11.5 ~ 16.5 GHz,和天线的逐渐随频率的增加而减小。单已经影响派系在共振频率带宽。随着天线不是single-resonant天线,我们不能使用单一在谐振频率点计算部分带宽。然而,对于天线在这篇文章中,我们有一个全面的考虑天线在宽带。我们可以计算的总和最小在其操作乐队获得最大带宽。

为了扩展天线的带宽,我们选择11分11.5 GHz和16.5 GHz之间间隔0.5 GHz,和之和在这些11分优化获得最低,从而确保天线带宽最大。因此,适应度函数被定义为 为了方便编程的MATLAB仿真软件、补丁和地面的平面天线分为矩形网格,用0和1的编码。零代表删除网格和网格的一个代表保留。每个网格包含几个三角形对应一些基础功能,删除或保留这些网格可以转换为基函数的去除或保留。(个人)的数量(5),(最大代)(10)都设置为20。在(9),(代码)的长度是148。删除网格的概率是0.4。在(6),每个元素的概率选择1或0是0.5。的最大和最小交叉因素(10)符合和。的拓扑优化天线如图3。优化后的辐射功率和存储能量图所示4和5,分别。的和优化前后数据所示6和7。

从数据可以看出6和7,的天线已经大大减少,天线的带宽扩展从11.5 ~ 16.5 GHz - 7 ~ 20 GHz。假设优化天线包围最小的限定范围,需要绑定和麦克莱恩在图6。我们发现优化结果接近需要绑定和麦克莱恩但不能达到这些边界优化天线没有有效地利用了球体体积。

验证模拟结果,提出天线的原型是捏造的。制造原型图所示8。测量进行了使用安捷伦N5230A PNA-L网络分析仪。图9说明了模拟和测量之间的比较该天线的频率。从图9它可以观察到,模拟和测量结果一致。然而,小的差异存在于模拟和测量。这些差异与底物相关联属性和制造公差。也使用SMA连接器的测量影响这个电小天线的操作。商业级专家制造的原型将显著减少这些错误。总的来说,天线的带宽是实现模拟和测量。

我们也测量提出了天线的辐射模式和峰值收益消声室。测量结果如图10和11。可以看到从图10,接近全向的辐射模式飞机(平面)和“8”的形状飞机(飞机)。之间的一些差异可以观察到测量和模拟辐射模式由于连接器电缆和失调。图11说明了变化的测量和模拟峰值收益与频率。天线和天线增益大于0分贝正确工作在7 ~ 20 GHz。

5。结论

在这篇文章中,因素是扩展到宽带天线的计算。在那之后我们把因素和VSIEs DEA与自适应优化平面微带天线,从11.5 ~ 16.5 GHz扩展带宽的7 ~ 20 GHz,取得扩大率为160%。计算在以前的工作只在窄带天线的条件是可行的。据作者所知,没有文献表明可以应用于宽带天线的计算。因为的推导本文并不局限于窄带天线、宽带天线的计算也是可行的。因此,本文的研究可以把一些新的设计宽带天线。最后制作并测量了天线。测量结果验证了该方法的正确性和有效性。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

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