CN103474737A - 支持向量机对膜片建模的毫米波e面滤波器及膜片建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及毫米波E面滤波器的设计方法，特别是支持向量机对膜片建模的毫米波E面滤波器及膜片建模方法。该支持向量机对膜片建模的毫米波E面滤波器，其特征是，至少包括：矩形波导（1），两个或两个以上的金属膜片（2），矩形波导（1）中间右E面腔；E面腔与矩形波导长度方向平行，其中包含金属膜片（2）；所述金属膜片（2）位于垂直矩形波导E面中央，并与E面平行，相邻金属膜片（2）不等间隔分布，相邻金属膜片在沿矩形波导长度方向一条直线，膜片面与矩形波导长度方向一条直线垂直。本发明大大的提高了滤波器的设计速度和精度，避免了重复使用电磁计算的复杂方法。

Description

支持向量机对膜片建模的毫米波E面滤波器及膜片建模方法

技术领域

本发明涉及毫米波E面滤波器的设计方法，特别是支持向量机对膜片建模的毫米波E面滤波器及膜片建模方法。

背景技术

在毫米波E面滤波器的设计中，对E面膜片的建模和分析是一个关键的环节。以往采用的数值分析方法虽然精度较高，但建模速度慢。

发明内容

本发明的目的是提供一种建模精度高，建模速度快的支持向量机对膜片建模的毫米波E面滤波器及膜片建模方法，以便大大提高滤波器的设计速度。

本发明的目的是这样实现的，支持向量机对膜片建模的毫米波E面滤波器，其特征是，至少包括：矩形波导，两个或两个以上的金属膜片，矩形波导中间右E面腔；E面腔与矩形波导长度方向平行，其中包含金属膜片；所述金属膜片位于垂直矩形波导E面中央，并与E面平行，相邻金属膜片不等间隔分布，相邻金属膜片在沿矩形波导长度方向一条直线，膜片面与矩形波导长度方向一条直线垂直。

所述金属膜片起耦合作用，相邻膜片之间构成谐振腔。

支持向量机对膜片建模的毫米波E面滤波器的膜片建模方法，其特征是：至少包括如下步骤：

步骤600：根据提出的指标综合得到滤波器的低通原型，计算出K变换器的归一化阻抗，代入滤波器设计公式，以计算得到各个并联阻抗值；

步骤601：调用已经建立好的支持向量机模型，送入滤波器设计频率和多个金属膜片的长度，可以快速仿真得到对应的并联阻抗值；

步骤602：将两组并联阻抗值经过对比，找出最接近最优的膜片长度和谐振腔长度；

步骤603：确定好金属膜片的长度和其在波导中的位置，以确定E面膜片滤波器的基本结构；

步骤604：利用高频电磁仿真软件验证滤波器的设计结果，并优化设计；

步骤605：对滤波器进行试用和调试。

所述的步骤601至少包括如下步骤：

步骤500：选定矩形波导的型号，并确定E面腔中每个金属膜片的厚度t和中心频率f₀以及膜片在矩形波导中所处的位置；

步骤501：以金属膜片的长度w为变量，以模式匹配法为基础求得相应的S参数，其中S包括S₁₁,S₁₂,S₂₁,S₂₂；

步骤502：使用场参数和电路参数之间的变换公式，求得对应T-型等效电路的参数X_s和X_p；所用公式如下所示：

${\mathrm{jX}}_s=\frac{1-s_{12}+s_{11}}{1-s_{11}+s_{12}}$ ${\mathrm{jX}}_p=\frac{{2s}_{12}}{{(1-s_{11})}^2-{s_{12}}^2}---\left(1\right)$

则相应的K阻抗变换器为：

φ=-tan^-1(2X_p+X_s)-tan^-1X_sK=|tan(φ/2+tan^-1X_s)|  （2）

其中，X_p和X_s表示T型等效电路电抗值；φ表示等效电路中的虚拟电长度；K为K变换器的变换比；S表示金属膜片的散射参数；j表示电抗元件值的虚部单位。

步骤503：采用步骤501和502的方法，计算出几组频率、金属膜片的长度w和等效电路参数之间的对应关系数据，将这些数据分两部分，以作为支持向量机的样本参数和实验数据；

步骤504：对步骤503所获取的样本数据进行归一化处理，选择支持向量机结构的核函数；

步骤505：将样本数据送到支持向量机，调整参数，建立精确的支持向量机模型；

步骤506：对支持向量机模型送入验证数据，验证支持向量机模型的精确度；

步骤507：结束支持向量机对E波膜片的建模过程。

本发明的优点是：通过支持向量机建立起来的膜片模型，在波导工作频带内的任意频率，都可以快速得到膜片长度w和T型等效电路参数X_s和X_p之间的对应关系。在设计滤波器时，首先根据提出的指标综合出滤波器的低通原型，计算出K变换器的归一化阻抗，带入公式计算出各个并联阻抗值，通过支持向量机模型结果经过搜索就可以得到与各个并联阻抗值对应的膜片长度w。确定了耦合段的大小后，谐振腔长度也就确定了，从而可以得到滤波器的原始尺寸，大大的提高了滤波器的设计速度和精度，避免了重复使用电磁计算的复杂方法。

附图说明

下面结合具体实施例附图对本发明作进一步说明：

图1是矩形波导E面膜片滤波器的结构示意图；

图2是图1的参数示意图；

图3是金属膜片用所示的T型等效电路；

图4支持向量机建模过程。

图5支持向量机对E面膜片建模流程图；

图6支持向量机对膜片建模的毫米波E面滤波器设计流程图。

图中，1、矩形波导；2、金属膜片。

具体实施方式

如图1、图2所示，支持向量机对膜片建模的毫米波E面滤波器，其特征是，至少包括：矩形波导1，两个或两个以上的金属膜片2，矩形波导1中间右E面腔；E面腔与矩形波导长度方向平行，其中包含金属膜片2；所述金属膜片2位于垂直矩形波导E面中央，并与E面平行，相邻金属膜片2不等间隔分布，相邻金属膜片在沿矩形波导长度方向一条直线，膜片面与矩形波导长度方向一条直线垂直。

所述金属膜片2起耦合作用，相邻膜片之间构成谐振腔。

支持向量机对膜片建模的毫米波E面滤波器设计流程如图6所示，其特征是，至少包括如下步骤：

步骤600：根据提出的指标综合得到滤波器的低通原型，计算出K变换器的归一化阻抗，代入滤波器设计公式，以计算得到各个并联阻抗值；

步骤601：调用已经建立好的支持向量机模型，送入滤波器设计频率和多个金属膜片2的长度，可以快速仿真得到对应的并联阻抗值；

步骤602：将两组并联阻抗值经过对比，找出最接近最优的膜片长度和谐振腔长度；

步骤603：确定好金属膜片2的长度和其在波导中的位置，以确定E面膜片滤波器的基本结构；

步骤604：利用高频电磁仿真软件验证滤波器的设计结果，并优化设计；

步骤605：对滤波器进行试用和调试。

如图3所示，在本发明中，支持向量机对E面膜片建模是一个非常关键的步骤，其基本过程如图5所示，所述的步骤601包括至少包括如下步骤：

步骤500：选定矩形波导1的型号，并确定E面腔中每个金属膜片2的厚度t和中心频率f₀以及膜片在矩形波导中所处的位置；

步骤501：以金属膜片2的长度w为变量，以模式匹配法为基础求得相应的S（包括S₁₁,S₁₂,S₂₁,S₂₂）散射参数；

步骤502：使用场参数和电路参数之间的变换公式，求得对应T-型等效电路的参数X_s和X_p；所用公式如下所示：

${\mathrm{jX}}_s=\frac{{1-s}_{12}+s_{11}}{1-s_{11}+s_{12}}$ ${\mathrm{jX}}_p=\frac{{2s}_{12}}{{(1-s_{11})}^2-{s_{12}}^2}---\left(1\right)$

则相应的K阻抗变换器为：

φ=-tan^-1(2X_p+X_s)-tan^-1X_sK=|tan(φ/2+tan^-1X_s)|   2）

其中，X_p和X_s表示T型等效电路电抗值；φ表示等效电路中的虚拟电长度；K为K变换器的变换比；S（包括S₁₁,S₁₂,S₂₁,S₂₂）表示金属膜片2的散射参数；j表示电抗元件值的虚部单位。

步骤503：采用步骤501和502的方法，计算出几组频率、金属膜片的长度w和等效电路参数之间的对应关系数据，将这些数据分两部分，以作为支持向量机的样本参数和实验数据；

步骤504：对步骤503所获取的样本数据进行归一化处理，选择支持向量机结构的核函数；

步骤505：将样本数据送到支持向量机，调整参数，建立精确的支持向量机模型；

步骤506：对支持向量机模型送入验证数据，验证支持向量机模型的精确度；

步骤507：结束支持向量机对E波膜片的建模过程。

支持向量机的基本思想是通过用内积函数定义的非线性变换将输入空间变换到一个高维空间，在这个高维空间中寻找输入变量和输出变量之间的一种非线性关系，其基本结构如图4所示。支持向量机算法是一个凸二次优化问题，保证找到的解是全局最优解，能较好地解决小样本、非线性和高维数、局部极小点等实际问题。

将已经采用模式匹配法计算出的几组频率值和膜片长度w作为输入样本，输入支持向量机结构。首先对样本数据做归一化，将所有建模数据归一化到[-1，1]范围内，最后将建模预测结果再进行反归一处理即可。归一化的主要优点是有效的限制数据变化范围，提高建模效率，同时还可以避免大量计算的困难。由于E面膜片模型的建模关系是一组非线性映射关系，因此选取了ε-SVR型支持向量机完成函数拟合。

核函数的选择是支持向量机理论研究的一个核心问题,但是目前还没有一种针对具体问题构造出合适的核函数的有效方法。本发明选择的核函数为径向基核函数，原因是由于①RBF核把样本非线性映射到更高维的空间上,因而可以处理类标签和属性之间的非线性关系。线性核是RBF核的特例,含有惩罚参数C的线性核同有参数(C,γ)(其中C为惩罚因子,γ为核参数)的RBF核具有相同的性能。另外,对于一定的参数,sigmoid核的性能与RBF核差不多。②超参数的个数影响模型选择的复杂性。多项式核的超参数比RBF核的要多,选择起来比较复杂。③RBF核的计算难度比较小。如果多项式的次数比较高的话,在运算时可能会出现溢出的现象。

在使用径向基核函数时，有两个参数需要调整，分别是C和γ，事先并不能知道对某一问题哪一个C和γ是合适的，因此需要对这两个参数进行合适的选择，目标是能利用支持向量机最小误差的预测未知的非线性散射函数数据。

通常的方式是将训练数据分成两个部分，一部分作为训练数据来训练支持向量机，调整C和γ，获得最好的训练精度，使得模拟结果和训练数据吻合良好；另一部分作为验证数据，预测出未知频率和功率点的模型输出，并与实际测量值做比较，得出预测的精确度高低指标。

如对于BJ320波导，对三个频率样点即f=33.0GHz、35.0GHz、37.0GHz，采用模式匹配方法计算出膜片长度与T-型等效电路参数值作为输出样本集。确定其中35.0GHz和37.0GHz数据作为样本点来建立支持向量机模型，33.0GHz数据作为网络仿真验证误差使用。可以看出建立起的支持向量机模型很好的预测了33.0GHz频率点的等效电路参数。

本实施例没有详细叙述的部分、常用结构及英文缩写属本行业的公知常识，这里不一一叙述。

Claims (4)

1.支持向量机对膜片建模的毫米波E面滤波器，其特征是，至少包括：矩形波导（1），两个或两个以上的金属膜片（2），矩形波导（1）中间右E面腔；E面腔与矩形波导长度方向平行，其中包含金属膜片（2）；所述金属膜片（2）位于垂直矩形波导E面中央，并与E面平行，相邻金属膜片（2）不等间隔分布，相邻金属膜片在沿矩形波导长度方向一条直线，膜片面与矩形波导长度方向一条直线垂直。

2.依据权利要求书1所述支持向量机对膜片建模的毫米波E面滤波器，其特征是：所述金属膜片（2）起耦合作用，相邻膜片之间构成谐振腔。

3.支持向量机对膜片建模的毫米波E面滤波器的膜片建模方法，其特征是：至少包括如下步骤：

步骤600：根据提出的指标综合得到滤波器的低通原型，计算出K变换器的归一化阻抗，代入滤波器设计公式，以计算得到各个并联阻抗值；

步骤601：调用已经建立好的支持向量机模型，送入滤波器设计频率和多个金属膜片（2）的长度，可以快速仿真得到对应的并联阻抗值；

步骤602：将两组并联阻抗值经过对比，找出最接近最优的膜片长度和谐振腔长度；

步骤603：确定好金属膜片（2）的长度和其在波导中的位置，以确定E面膜片滤波器的基本结构；

步骤604：利用高频电磁仿真软件验证滤波器的设计结果，并优化设计；

步骤605：对滤波器进行试用和调试。

4.根据权利要求3所述的支持向量机对膜片建模的毫米波E面滤波器的膜片建模方法，其特征是，所述的步骤601至少包括如下步骤：

步骤500：选定矩形波导（1）的型号，并确定E面腔中每个金属膜片（2）的厚度t和中心频率f₀以及膜片在矩形波导中所处的位置；

步骤501：以金属膜片（2）的长度w为变量，以模式匹配法为基础求得相应的S参数，其中S包括S₁₁,S₁₂,S₂₁,S₂₂；

步骤502：使用场参数和电路参数之间的变换公式，求得对应T-型等效电路的参数X_s和X_p；所用公式如下所示：

${\mathrm{jX}}_s=\frac{{1-s}_{12}+s_{11}}{1-s_{11}+s_{12}}$ ${\mathrm{jX}}_p=\frac{{2s}_{12}}{{(1-s_{11})}^2-{s_{12}}^2}---\left(1\right)$

则相应的K阻抗变换器为：

φ=-tan^-1(2X_p+X_s)-tan^-1X_sK=|tan(φ/2+tan^-1X_s)|  （2）

其中，X_p和X_s表示T型等效电路电抗值；φ表示等效电路中的虚拟电长度；K为K变换器的变换比；S表示金属膜片（2）的散射参数；j表示电抗元件值的虚部单位。

步骤503：采用步骤501和502的方法，计算出几组频率、金属膜片的长度w和等效电路参数之间的对应关系数据，将这些数据分两部分，以作为支持向量机的样本参数和实验数据；

步骤504：对步骤503所获取的样本数据进行归一化处理，选择支持向量机结构的核函数；

步骤505：将样本数据送到支持向量机，调整参数，建立精确的支持向量机模型；

步骤506：对支持向量机模型送入验证数据，验证支持向量机模型的精确度；

步骤507：结束支持向量机对E波膜片的建模过程。

Images