CN111460632A - 一种基于差分进化的天线设计方法及新型弯折线天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于差分进化的天线设计方法及新型弯折线天线，所述方法包括确定弯折线天线的设计指标；根据设计指标，构建弯折线天线优化模型；采用差分进化算法求解所述优化模型，并利用电磁仿真软件进行联合仿真，从而评估不同形状的弯折线天线的性能，最终搜索得到满足所述设计指标的新型弯折线天线。所述新型弯折线天线包括由7段弯曲线组成的辐射器、金属杯状的反射器、以及同轴馈电。本发明的有益效果：将天线增益、轴比和驻波比的方差和作为优化目标，提高了弯折线天线的鲁棒性及工作带宽，采用差分进化算法和电磁仿真软件联合仿真，极大摆脱了对于设计者经验的依赖性。
Description
技术领域
本发明涉及弯折线天线设计领域，尤其涉及一种基于差分进化的天线设计方法及新型弯折线天线。
背景技术
弯曲折线天线是一款常见的小天线，由于其结构简单、造价经济而获得了广泛的应用。弯折线结构兼具有增加天线的有效电长度、减小天线尺寸和展宽频带的作用，同时具有多频带、带宽、低剖面和可集成等优良特性，几乎可以实现与分形天线相同的电性能，因此在无线通信领域中应用极为广泛。
在实际工程应用中，提高弯折线天线的鲁棒性能和带宽设计十分重要，是衡量产品性能的重要指标，在以往的弯折线天线设计中，通常是计算出一个结果然后再去实测验证其性能，在这种情况下往往有些结果能够满足要求，而另一些结果则和仿真结果相差很大，只能作为失败的设计处理。目前，弯折线结构天线设计对于产品的综合性能也同样存在考虑不周的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于差分进化的天线设计方法及新型弯折线天线，将增强天线鲁棒性和带宽的技术应用到天线设计中，然后采用差分进化算法和电磁仿真软件Ansys HFSS来联合仿真，从而搜索天线最优结构，得到符合设计指标的新型弯折线天线，极大摆脱了对于设计者经验的依赖性。
本发明提供一种基于差分进化的天线设计方法，包括以下步骤：
确定弯折线天线的设计指标；
根据所述设计指标，构建弯折线天线优化模型，所述优化模型将天线增益、天线轴比、以及天线驻波比的方差和作为优化目标；
采用差分进化算法求解所述优化模型，并利用电磁仿真软件进行联合仿真，从而评估不同形状的弯折线天线的性能，最终搜索得到满足所述设计指标的新型弯折线天线。
进一步地，所述设计指标包括弯折线天线的工作频带范围f1≤freq≤f2，阻抗大小Z0，驻波比VSWR≤S0，增益范围Gain≥g0，天线方位角范围φ1≤φ≤φ2，天线俯仰角范围θ1≤θ≤θ2，其中，f1、f2分别表示工作频带的最小值、最大值，S0表示驻波比的最大值，g0表示增益的最小值，φ1、φ2表示方位角最小值、最大值，θ1、θ2表示俯仰角最小值、最大值。
进一步地，所述优化模型为：
使得
其中，
表示优化变量，所述优化变量为天线辐射单元的坐标表示，并根据天线尺寸确定优化变量
的解空间；俯仰角范围φ1≤φ≤φ2、θ1≤θ≤θ2，频带范围f1≤freq≤f2，
len(freq)表示频带范围freq内求解的频点个数；GVariance(φ,θ)表示天线增益的方差，Gain(φ,θ,freq)表示在(φ,θ)方向上的增益；ARVariance(φ,θ)表示天线轴比的方差，Axial(φ,θ,freq)表示在(φ,θ)方向上的轴比；VSWRVariance(φ,θ)表示天线驻波比的方差，VSWRfreq表示在频率freq下的驻波比；
表示增益约束，
表示轴比约束，
表示驻波比约束。
进一步地，利用差分进化算法在所述解空间进行搜索，并通过电磁仿真软件进行仿真，得到天线性能参数，所述性能参数包括增益、轴比、以及驻波比；将所述性能参数代入优化模型进行评估，得到适应性目标值；重复整个过程，得到多个适应性目标值，进而确定最优解；所述差分进化算法的参数为：评估代数T＝1000，种群规模POP＝50，交叉概率CR＝0.9，比例因子F＝0.5。
进一步地，所述电磁仿真软件为Ansys HFSS。
进一步地，所述设计指标还包括弯折线天线的极化模式、尺寸、以及每根导线的长度范围。
本发明还提供一种新型弯折线天线，采用上述基于差分进化的天线设计方法，包括由7段弯曲线(1-7)组成的辐射器、金属杯状的反射器、以及同轴馈电，其中，所述弯曲线(1)位于所述反射器的底面中心的上方，且垂直于所述反射器的底面向上，所述同轴馈电位于所述反射器的底面中心，所述同轴馈电的端口为同轴线馈电，所述同轴线与所述弯曲线(1)连接。
进一步地，所述弯曲段(1)距离所述反射器的底面中心3mm，所述弯曲段(1)的长度为7.4mm，所述弯曲段(2)的长度为21.52mm，所述弯曲段(3)的长度为28.93mm，所述弯曲段(4)的长度为67.67mm，所述弯曲段(5)的长度为91.65mm，所述弯曲段(6)的长度为59.08mm，所述弯曲段(7)的长度为98.32mm；所述反射器的顶面半径为115mm，底面半径为80mm，高度为127mm。
进一步地，所述新型弯折线天线的工作频段为2200MHz至2290MHz，工作带宽为90MHz，采取右旋圆极化模式。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：采用智能优化算法与电磁仿真软件进行联合仿真，相比于传统的天线设计方法往往只关注于天线的某一个性能指标或将多个性能指标简单加权，本发明将天线增益、轴比和驻波比的方差和作为优化目标，由此提高弯折线天线的鲁棒性及工作带宽，极大摆脱了对于设计者经验的依赖性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于差分进化的天线设计方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的NASA LADEE卫星天线的实体图；
图3是本发明实施例提供的新型弯折线天线的实体图；
图4是本发明实施例提供的新型弯折线天线的结构体；
图5是本发明实施例提供的新型弯折线天线的驻波比仿真结果；
图6是本发明实施例提供的新型弯折线天线在2245MHz工作频率下的轴比仿真结果；
图7是本发明实施例提供的新型弯折线天线在2245MHz工作频率下的3D右旋增益仿真结果；
图8是本发明实施例提供的新型弯折线天线在2245MHz工作频率下的增益仿真结果。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1，本发明的实施例提供了一种基于差分进化的天线设计方法，以图2所示的NASA LADEE卫星天线为例，设计一款新型弯折线天线，包括以下步骤：
S1、确定弯折线天线的设计指标，所述设计指标包括工作频带、极化模式、阻抗、驻波比、增益范围、尺寸、每根导线长度。具体地，请参考表1，本实施例中所述NASA LADEE卫星天线的设计指标为：工作频带在2200MHz至2290MHz之间，采取右旋圆极化模式，阻抗为50Ω，驻波比小于等于2，轴比大于等于6，天线增益大于等于9dB，天线方位角0°≤φ≤360°、俯仰角范围-20°≤θ≤20°，天线直径小于等于229mm，高度小于等于127mm，每根导线的长度λ/10≤L≤λ/2，λ表示电磁波波长。
表1弯折线天线设计指标
| 性能指标 | 需求 |
| 工作频带 | 2200MHz-2290MHz |
| 极化模式 | 右旋圆极化 |
| 阻抗 | 50欧姆 |
| 驻波比 | ≤2 |
| 轴比 | ≥6 |
| 增益范围 | ≥9dB,0°≤φ≤360°,-20°≤θ≤20° |
| 尺寸 | 直径≤229mm,高≤127mm |
| 每根导线长度 | λ/10≤L≤λ/2 |
S2、根据所述设计指标，构建弯折线天线优化模型，需要说明的是，一般天线的性能好坏往往需要考虑天线增益、轴比以及驻波比等设计指标，在大多数天线优化方案中，将多个设计指标进行简单加权构成单目标优化问题或多目标优化问题，本发明则通过构建一个在工作频带内的方差和的新指标来进行优化，所述新指标越小，天线的鲁棒性越好。
具体地，本实施例考虑七段弯折线天线，以同轴馈电端口为原点，建立xyz直角坐标系，并将天线辐射单元(弯折线)的坐标表示为优化变量
其中，坐标(xi,yi,zi)表示第i+1段弯折线尾端的坐标，i＝0,1,…,6，第一段弯折线位于z坐标轴上，故省略坐标x0、y0；建立优化模型如下：
使得
其中，0°≤φ≤360°，-20°≤θ≤20°，频带范围2200MHz≤freq≤2290MHz，
len(freq)表示频带范围freq内求解的频点个数；GVariance(φ,θ)表示天线增益的方差，Gain(φ,θ,freq)表示在(φ,θ)方向上的增益；ARVariance(φ,θ)表示天线轴比的方差，Axial(φ,θ,freq)表示在(φ,θ)方向上的轴比；VSWRVariance(φ,θ)表示天线驻波比的方差，VSWRfreq表示在频率freq下的驻波比；
表示增益约束，
表示轴比约束，
表示驻波比约束。
由于天线尺寸限制，所述优化变量
的解空间范围如下(单位：mm)：
S3、采用差分进化算法求解所述优化模型，并利用电磁仿真软件Ansys HFSS进行联合仿真，从而评估不同形状的弯折线天线的性能，最终搜索得到满足设计指标的新型弯折线天线。
求解所述优化模型时，每次给定一组
后，就会确定一个天线结构，然后利用电磁仿真软件Ansys HFSS对所述确定的天线结构进行仿真计算，得到天线性能参数：增益、轴比、以及驻波比；将所述性能参数代入优化模型中，经过评估得到一个适应性目标值；重复上述过程，利用差分进化算法，在整个解空间进行搜索，同时通过电磁软件进行仿真、优化模型进行评估，得到多个适应性值，进而确定最优天线结构，即得到一组最优
解。其中，所述差分进化算法的参数为：评估代数T＝1000，种群规模POP＝50，交叉概率CR＝0.9，比例因子F＝0.5。
本实施例最终得到的最优
解对应的弯折线天线结构较为新奇，手工制作难度较大，因此采用3D打印技术进行天线制作，将所得天线结构方案由原有的HFSS文件转化为3D打印所支持的文件并加工得到弯折线天线，如图3所示。
本实施例设计得到的新型弯折线天线的结构请参考图4，包括由7段弯曲线1-7组成的辐射器、金属杯状的反射器、以及同轴馈电，所述辐射器由导电性能良好的导体弯曲形成，其中，弯曲线1垂直于所述反射器的底面向上，距离底面中心3mm，弯曲线1的长度为7.4mm，弯曲线2的长度为21.52mm，弯曲线3的长度为28.93mm，弯曲线4的长度为67.67mm，弯曲线5的长度为91.65mm，弯曲线6的长度为59.08mm，弯曲线7的长度为98.32mm；所述反射器的顶面半径为115mm，底面半径为80mm，高度为127mm；所述同轴馈电的端口为同轴线馈电，位于所述反射器的底面中心，其中，同轴线与所述弯曲线1连接，端口阻抗为50Ω。所述新型弯折线天线的工作频段为2200MHz至2290MHz，工作带宽为90MHz，可用于移动终端等通信设备。
利用电磁仿真软件Ansys HFSS对所述新型弯折线天线进行仿真测试，请参考图5，新型弯折线天线的驻波比在工作频段范围内均小于2.0，说明其能量损耗较小，满足设计指标中的驻波比需求，其中，当工作频段为2200MHz时，驻波比为1.26，当工作频段为2290MHz时，驻波比为1.46；当工作频段为2245MHz时，新型弯折线天线的轴比如图6所示，增益3D图如图7所示，增益图如图8所示。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于差分进化的天线设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
确定弯折线天线的设计指标；
根据所述设计指标，构建弯折线天线优化模型，所述优化模型将天线增益、天线轴比、以及天线驻波比的方差和作为优化目标；
采用差分进化算法求解所述优化模型，并利用电磁仿真软件进行联合仿真，从而评估不同形状的弯折线天线的性能，最终搜索得到满足所述设计指标的新型弯折线天线。
2.根据权利要求1所述的基于差分进化的天线设计方法，其特征在于，所述设计指标包括弯折线天线的工作频带范围f1≤freq≤f2，阻抗大小Z0，驻波比VSWR≤S0，增益范围Gain≥g0，天线方位角范围φ1≤φ≤φ2，天线俯仰角范围θ1≤θ≤θ2，其中，f1、f2分别表示工作频带的最小值、最大值，S0表示驻波比的最大值，g0表示增益的最小值，φ1、φ2表示方位角最小值、最大值，θ1、θ2表示俯仰角最小值、最大值。
3.根据权利要求2所述的基于差分进化的天线设计方法，其特征在于，所述优化模型为：
使得
其中，
表示优化变量，所述优化变量为天线辐射单元的坐标表示，并根据天线尺寸确定优化变量
的解空间；俯仰角范围φ1≤φ≤φ2、θ1≤θ≤θ2，频带范围f1≤freq≤f2，
len(freq)表示频带范围freq内求解的频点个数；GVariance(φ,θ)表示天线增益的方差，Gain(φ,θ,freq)表示在(φ,θ)方向上的增益；ARVariance(φ,θ)表示天线轴比的方差，Axial(φ,θ,freq)表示在(φ,θ)方向上的轴比；VSWRVariance(φ,θ)表示天线驻波比的方差，VSWRfreq表示在频率freq下的驻波比；
表示增益约束，
表示轴比约束，
表示驻波比约束。
4.根据权利要求3所述的基于差分进化的天线设计方法，其特征在于，利用差分进化算法在所述解空间进行搜索，并通过电磁仿真软件进行仿真，得到天线性能参数，所述性能参数包括增益、轴比、以及驻波比；将所述性能参数代入优化模型进行评估，得到适应性目标值；重复整个过程，得到多个适应性目标值，进而确定最优解；所述差分进化算法的参数为：评估代数T＝1000，种群规模POP＝50，交叉概率CR＝0.9，比例因子F＝0.5。
5.根据权利要求1所述的基于差分进化的天线设计方法，其特征在于，所述电磁仿真软件为Ansys HFSS。
6.根据权利要求2所述的基于差分进化的天线设计方法，其特征在于，所述设计指标还包括弯折线天线的极化模式、尺寸、以及每根导线的长度范围。
7.一种新型弯折线天线，采用权利要求1-6任一所述的方法，其特征在于，包括由7段弯曲线(1-7)组成的辐射器、金属杯状的反射器、以及同轴馈电，其中，所述弯曲线(1)位于所述反射器的底面中心的上方，且垂直于所述反射器的底面向上，所述同轴馈电位于所述反射器的底面中心，所述同轴馈电的端口为同轴线馈电，所述同轴线与所述弯曲线(1)连接。
8.根据权利要求7所述的新型弯折线天线，其特征在于，所述弯曲线(1)距离所述反射器的底面中心3mm，所述弯曲线(1)的长度为7.4mm，所述弯曲线(2)的长度为21.52mm，所述弯曲线(3)的长度为28.93mm，所述弯曲线(4)的长度为67.67mm，所述弯曲线(5)的长度为91.65mm，所述弯曲线(6)的长度为59.08mm，所述弯曲线(7)的长度为98.32mm；所述反射器的顶面半径为115mm，底面半径为80mm，高度为127mm。
9.根据权利要求7所述的新型弯折线天线，其特征在于，所述新型弯折线天线的工作频段为2200MHz至2290MHz，工作带宽为90MHz，采取右旋圆极化模式。
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