TWI476987B

TWI476987B - Evolutionary Design Method of Circular Polarization Slot Antenna

Info

Publication number: TWI476987B
Application number: TW100135475A
Authority: TW
Original assignee: Univ Chienkuo Technology
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2015-03-11
Also published as: TW201315012A

Description

圓極化槽孔天線的演化式設計方法

本發明係天線之技術領域，尤指一種藉由使用兩階段基因區域搜尋演算法(GLSA)設計之圓極化槽孔天線的演化式設計方法。

按，近年來應用於無線通訊系統的圓極化微帶天線設計引起廣泛的研究，這是由於圓極化可以解決基地台與移動裝置間極化方向限制的問題。

其中，根據饋入點數目來區分，圓極化天線設計可分為雙饋入與單饋入兩種。相較於雙饋入而言，單饋入無需額外的饋入網路。然而這類單饋入圓極化天線的圓極化操作頻寬(又稱為3 dB軸比頻寬)卻很狹窄。為了增加圓極化頻寬，比較常見的技巧是提高天線的基底高度，饋入探針也於是隨之提高。如此，卻引入了額外的電感性。為了解決這個問題，可以利用L形探針饋入，或者於垂直傳統接地面(L形接地面)處饋入，或者使用兩個共振元件的圓環型槽孔耦合微帶天線，又或者利用耦合方式於饋入探針並聯一電容來抵消因提高饋入探針所產生的電感性。

以上的技術皆可改善圓極化頻寬至10%左右，但若想在不增加天線尺寸與基底厚度的前提下，增加圓極化頻寬，印刷槽孔天線即為不錯的選擇。寬槽孔天線有著較單饋入微帶金屬片天線更寬的圓極化頻寬，此外，它還具有雙向輻射與高製作容忍度的特性。

目前常見的印刷槽孔天線有兩種饋入方式：微帶線饋入與共平面波導(CPW)饋入，都可以獲得超過10%的圓極化頻寬，且以微帶線饋入方式製作一短路方型環槽孔天線，可獲得12.9%的圓極化頻寬。或是以共平面波導饋入連接一伸出於方型槽孔的L形微帶，可獲得17%的圓極化頻寬。另外具有交叉金屬片負載的共平面波導饋入方型槽孔天線，也可獲得大約12%的圓極化頻寬。不論是微帶金屬片天線或印刷槽孔天線，傳統都需要以嘗試錯誤法多次的模擬與實作，才能找到最佳的天線形狀尺寸，浪費許多時間與物力，增加了設計成本。

本發明者有鑑於前述無線通訊系統的圓極化微帶天線於實際使用時，仍然有圓極化頻寬受限及需要人力多次嘗試錯誤尋找最佳尺寸之缺點，予以重新設計處理過程。

本發明之主要目的係為提供一種圓極化槽孔天線的演化式設計方法，可在指定的槽孔形狀與操作頻寬下，不需要人為的嘗試錯誤法，就可以找出天線的最佳尺寸。此演化計算方法的核心，係運用了兩階段基因區域搜尋演算法(GLSA)，用以尋找全域最佳解(天線尺寸)，加速尋解的速度與提高最後解的品質。由於此演化計算方法(包含電磁模擬軟體)皆使用電腦計算，因此不需要人力介入。

為了達到前述的發明目的，本發明所運用的技術手段係包含：在第一階段中，以隨機方式產生初始族群，以基因區域搜尋演算法(GLSA)找出所有可能有最佳解的區域，稱為精英集合(elite set)，精英集合保留了第一階段中，各世代演化後的最佳解；第二階段X%的初始族群是由精英集合中選取，剩下(100-X)%則是隨機產生，X大小可以微調，預設參考值為90，且該第二階段會仔細的檢視每個區域內所有可能的最佳解；其中，基因區域搜尋演算法(GLSA)將欲求解的尺寸表示成以1、0表示的位元串，所有設計天線需要變動的尺寸對應之位元串會構成最後的染色體，故以亂數方式產生構成初始族群的第一代染色體。根據搜尋的目的，訂出適應函數，該適應函數定義係為：

其中S₁₁ 與AR分別是天線的反射係數與3dB軸比，而n是需要計算S₁₁ 與AR的頻率數目；每條染色體都可利用適應函數計算出相對的適應值，搜尋的目的就是要找到解空間中擁有最大的適應值，族群中的所有染色體都會進行交配、突變、區域搜尋與排序後選擇，挑出有最佳適應值的染色體，以上步驟重複P/2次(P為染色體數目)，如此完成一代的演化，基因區域搜尋演算法(GLSA)在進行了固定代數(G)演化或滿足了預設條件後結束，預設條件通常是找到了某個臨界的目標值，每代演化中的突變是為了預防基因區域搜尋演算法(GLSA)陷入區域的最佳解，其方法是依照一定機率(M1)的比例，讓交配的後代染色體，亂數變動某幾個(總位元數B×機率值M2)位元(1變0、0變1)基因區域搜尋演算法(GLSA)。

本發明之圓極化槽孔天線的演化式設計方法，其係包含：系統設計方法與演化式演算法。系統設計方法係指可在指定的槽孔形狀與操作頻寬下，不需要人為的嘗試錯誤法，就可以找出天線的最佳尺寸。而演化式演算法係指運用於天線設計中之兩階段基因區域搜尋演算法(GLSA)。

如圖一所示，使用相同的基因區域搜尋演算法(Genetic Local Search Algorithm,GLSA)，分兩階段進行處理。在第一階段中，以隨機方式產生初始族群，以GLSA找出所有可能有最佳解的區域，稱為精英集合(elite set)。精英集合保留了第一階段中，各世代演化後的最佳解。第二階段X%的初始族群是由精英集合中選取，剩下(100-X)%則是隨機產生。第二階段會仔細的檢視每個區域內所有可能的最佳解。

不同於傳統最佳化方法直接對欲求解的尺寸進行計算，GLSA將欲求解的尺寸表示成以1、0表示的位元串，所有設計天線需要變動的尺寸對應之位元串會構成最後的染色體。為了廣泛的搜尋解空間，故以亂數方式產生構成初始族群的第一代染色體。根據搜尋的目的，訂出適應函數。而每條染色體都可利用適應函數計算出相對的適應值，搜尋的目的就是要找到解空間中最大的適應值。族群中的所有染色體都會進行交配、突變、區域搜尋與排序後選擇，挑出有最佳適應值的染色體。以上步驟重複P/2次(P為染色體數目)，如此完成一代的演化。一般而言，GLSA在進行了固定代數(G)演化或滿足了預設條件後結束，預設條件通常是找到了某個臨界的目標值。每代演化中的突變是為了預防GLSA陷入區域的最佳解，其方法是依照一定機率(M1)的比例，讓交配的後代染色體，亂數變動某幾個(總位元數B×機率值M2)位元(1變0、0變1)。前述的參數n、P、G1、G2、M1、M2皆需設計者設定，預設值為9、16、10、30、0.1、0.12。

在先期實驗的過程中發現，改變L形微帶的尺寸可以調整3 dB軸比頻寬；改變錐形接頭與阻抗轉換器的尺寸可以調整10 dB輸入阻抗頻寬。據此，用以撰寫區域搜尋程序。

圖二為寬頻圓極化槽孔天線結構。可依客戶指定橢圓、三角或矩形，在此以方形為例。邊長r1的方形槽孔被蝕刻於厚度h=1.6 mm的FR4基板上之接地面(厚度可變)，其相對介電係數εr=4.4(此值可變)。具有錐形接頭的L形微帶被蝕刻於方形槽孔的另一面，沿著方形槽孔中心向x軸延伸的微帶長度為ls，寬度為ws；當做阻抗轉換器的細微帶線其長度與寬度分別為l與w；做為連接阻抗轉換器與L形微帶的錐形接頭沿著y軸方向長度為lc。以上的所有尺寸都是可變動且被轉換為二進制的位元串，組合成為GLSA的染色體。在本設計中分別利用6、7、7、6、7、3個位元(此值可變)來表示ws、ls、lc、r1、l、w等參數。因此每條染色體需要B=36個位元來儲存對應的天線尺寸，這意味著需要從2³⁶ 種可能的解中找出最好的天線尺寸。至於參數的變動範圍如下：參數ws在範圍8.2~14.5 mm間變動；參數ls在範圍34.3~47.0 mm間變動；參數lc在範圍14.8~27.5 mm間變動；參數r1在範圍58.2~64.5 mm間變動；參數l在範圍2.0~14.7 mm間變動；參數w在範圍0.4~1.1 mm間變動。若最後結果不臻理想，這些變動範圍亦可重新指定，然後重新執行程式。

關於基因區域搜尋演算法(GLSA)中的族群數目(P)，一般而言較多的染色體數目意味著取樣數目較多，因此可以同時探索更多解空間的不同位置，然而卻會花費更多的計算時間。在預設的案例中我們以P=16條染色體當做族群數目，總共進行第一階段G1=10代，第二階段G2=30代演化。突變的機率選擇為M1=0.1，M2=0.12，另外由於我們希望圓極化操作頻寬能涵蓋2.4 GHz的頻帶，同時頻帶能愈寬愈好。因此適應函數僅考慮1.7~2.5 GHz等頻率(共9個)的返回損失與3 dB軸比。適應函數定義如下：

實驗結果

在完成演化後，得到的天線尺寸如下：r1=61 mm,ls=37.5 mm,ws=12.6 mm,lc=23.2 mm,l=4 mm,w=0.6 mm，接地面L×L=100×100 mm² 。隨即進行天線製作與量測，圖三顯示方形槽孔天線量測與模擬的返回損失與頻率關係圖。由圖中可看出模擬與實測結果相當接近，其阻抗頻寬為1077 MHz(48.4 %)，而中心頻率在2225 MHz。至於天線的模擬與實測的軸比與頻率關係圖畫在圖四，量測的圓極化頻寬為910 MHz(42.2 %)，而中心頻率在2155 MHz，也看出本天線的阻抗頻寬涵蓋了圓極化頻寬。這樣的圓極化操作頻寬已經涵蓋了GLSA的目標頻率：1.8~2.5 GHz。至於天線在2155 MHz的輻射場型則顯示於圖五。由於寬槽孔天線是雙向輻射體，因此，天線有類似的背向的輻射場型。在圖五可看出所提出的天線具有沿+Z軸方向的右旋圓極化的輻射場型，與-Z軸方向的左旋圓極化的輻射場型。圖六顯示出模擬與量測的增益與頻率變化圖，在此圖中可看出本天線在整個圓極化頻寬中具有3.8~5 dBi穩定的增益變化。

以上所述實施案例之揭示係用以說明本發明，並非用以限制本發明，故舉凡實驗中天線形狀、操作頻率、參數變動範圍、數值選用等皆可改變，因此不同案例之呈現等仍應隸屬本發明之範疇。

由以上詳細說明，可使熟知本項技藝者明瞭本發明的確可達成前述目的，實已符合專利法之規定，爰提出專利申請。

圖一係本發明之圓極化槽孔天線演化式設計方法。

圖二係本發明之寬頻圓極化槽孔天線結構示意圖。

圖三係本發明之模擬與量測的折返損失與頻率關係圖。

圖四係本發明之模擬與量測的軸比與頻率關係圖。

圖五係本發明之天線在2155 MHz的輻射場型(a)x-z平面(b)y-z平面。

圖六係本發明之模擬與量測的增益與頻率變化圖。

Claims

一種圓極化槽孔天線的演化式設計方法，其係包括：在第一階段中，以隨機方式產生初始族群，以基因區域搜尋演算法(GLSA)找出所有可能有最佳解的區域，稱為精英集合(elite set)，精英集合保留了第一階段中，各世代演化後的最佳解；第二階段X%的初始族群是由精英集合中選取，剩下(100-X)%則是隨機產生，X大小可以微調，預設參考值為90，且該第二階段會仔細的檢視每個區域內所有可能的最佳解；其中，基因區域搜尋演算法(GLSA)將欲求解的尺寸表示成以1、0表示的位元串，所有設計天線需要變動的尺寸對應之位元串會構成最後的染色體，故以亂數方式產生構成初始族群的第一代染色體，根據搜尋的目的，訂出適應函數，該適應函數定義係為：其中S₁₁ 與AR分別是天線的反射係數與3dB軸比，而n是需要計算S₁₁ 與AR的頻率數目；每條染色體都可利用適應函數計算出相對的適應值，搜尋的目的就是要找到解空間中擁有最大的適應值，族群中的所有染色體都會進行交配、突變、區域搜尋與排序後選擇，挑出有最佳適應值的染色體，以上步驟重複P/2次(P為染色體數目)，如此完成一代的演化，基因區域搜尋演算法(GLSA)在進行了固定代數(G)演化或滿足了預設條件後結束，預設條件通常是找到了某個臨界的目標值，每代演化中的突變是為了預防基因區域搜尋演算法(GLSA)陷入區域的最佳解，其方法是依照一定機率(M1)的比例，讓交配的後代染色體，亂數變動某幾個(總位元數B×機率值M2)位元(1變0、0變1)基因區域搜尋演算法。
如申請專利範圍第1項所述之圓極化槽孔天線的演化式設計方法，其中，該頻率數目(n)又分為中心頻率與取樣頻率兩種，中心頻率為指定的操作頻率，取樣頻率有2m個(n=2m+1)，分別是中心頻率向高頻及向低頻的各m個頻率，每個取樣頻率間距是可調整的，當n愈多時，所需的計算時間就愈多，相對也確保了由f1到fn頻帶間的S₁₁ 都低於-10 dB，形成寬頻，當n愈少，所需的計算時間愈少，很快就可以獲得結果，但頻帶可能會不連續，建議由密到疏，不但所需的計算時間較少，也獲得寬頻操作。