孔径耦合微带贴片天线的设计和优化使用遗传算法

是Errifi¹Abdenacceur巴格达²,Abdelmajid巴蒂尼²

博士生,EEA & TI实验室教师的科学和技术,Mohammedia,摩洛哥
教授,EEA & TI实验室教师的科学和技术,Mohammedia,摩洛哥

文摘

微带贴片天线是现代无线通信系统的一个重要元素,因此它的设计优化是一个重要的方面提高系统的整体性能。在这篇文章中遗传算法优化技术已经应用在基于软件的优化孔径耦合贴片天线尺寸以达到更好的回波损耗和高度方向性。微带贴片天线设计在C波段操作中心在7 ghz频率和各种分析了贴片天线的重要性能指标之间进行比较分析un-optimized补丁设计和优化补丁设计。一个程序已经在MATLAB开发获取补丁维度基于理论公式。

关键字

贴片天线,基于遗传算法,回波损耗和方向性。

介绍

微带贴片天线被广泛使用在许多应用程序中由于他们低调,易于制造、与其他电路和集成的可能性。然而,大多数贴片天线提供了一种宽波束宽度和低辐射效率。

为了克服缺点的贴片天线是很重要的一个最优的天线设计最佳的性能。各种现有优化算法可以方便的在这种情况下,遗传算法是一种全局优化算法已广泛应用于天线设计师过去[4]的优化补丁形状和大小以达到更好的天线的整体性能。摘要遗传算法已被用于优化孔径耦合矩形微带贴片天线(ACMPA)维度,正是用来优化补丁长度,在地平面槽尺寸和给水管路的尺寸。这项工作已经完成了接口Ansoft高频系统的遗传算法模拟器(基于)。本文的组织结构如下:第二节介绍了孔径耦合矩形贴片天线设计方法,第三节简要对遗传算法和流程图,在第四节给出了仿真结果,最后在第五部分的结论。

孔径耦合贴片天线设计

一个孔径耦合贴片天线消除饲料和辐射之间的直接电气连接导体采用两个介质基板分离地平面。这允许独立优化微带传输线的饲料和辐射贴片;补丁和给水管路电磁耦合通过一个孔在地面上。这样的设计可以很好地解释的帮助下如下图:

2.1补丁的设计

大部分长度(L)和宽度(W)的补丁可以使用高度等参数计算补丁,下面的衬底(h2)的介电常数(r2)和共振频率(fr)[3]给出的公式:

,c是空间光速和fr是天线的谐振频率。

2.2设计的微带线

通常50Ω微带线是用来喂养辐射贴片。饲料的特性阻抗线宽决定饲料线,所以选择得到所需的阻抗。也是最大的耦合,槽集中以下补丁和给水管路必须放置垂直于槽的中心。

2.3光圈的设计

的补丁和饲料线之间的耦合是由光圈,光圈有非常重要的作用在微带天线孔径耦合喂养。主要是孔的长度(La)和存根长度被认为和宽度的孔径(Wa)很小,只有一个小对天线的影响行为。这是固定在1毫米。

2.4设计的存根

存根长度被认为是槽后的给水管路的长度。它是用来调整光圈的多余的电抗。

表1显示了由Matlab ACMPA计算的维数。这个计算器利用第二节中给出的公式。这样的计算器的好处是减少计算时间补丁维度对不同组输入,否则必须手动完成的。

遗传算法

遗传算法的搜索算法是基于自然选择和自然遗传的机制。他们是随机搜索过程建模在达尔文的自然选择与进化的概念。在佐治亚州一组或人口造成的可能的解决方案是实现全局最优的解决方案。GA优化技术不同于局部优化技术产生的结果高度依赖的起点或初始猜测。遗传算法可以处理不连续的和非可微函数。他们也适合约束优化问题。

表2给出了一个简短的关于各种遗传算法相关的重要术语。适应度函数是唯一连接物理问题进行优化和遗传算法。适应度函数是用来将一个健身价值分配给每个个体的GA人口。健身适应度函数返回的值以某种方式与一个给定的美好尝试解决方案。GA开始到染色体编码未知变量,随机生成N多的解决方案。染色体是加权根据适应度函数值和下将被更新的选择,交叉和变异操作。优化停止条件满足时终止。

图2显示了用于设计ACMPA流程图。首先,我们计算出天线参数分析其性能,如果结果不满意我们使用遗传算法优化。优化条件满足时终止。

仿真结果

贴片天线设计在基于软件(图3)和各种重要性能指标测量分析ACMPA设计的性能。

上图代表孔径耦合微带贴片天线的设计模型基于软件。我们使用二维计算部分。

回波损耗应该最少为更好的性能在共振频率;设计天线的回波损耗图如图4所示。它显示了一个坏值和共振频率不是7 GHz。在中心频率的精度被基于环境中使用遗传算法优化补丁。遗传算法是一种新兴市场优化技术结合Ansoft基于。这可以用来减少手动优化补丁维度的努力为了实现预期的目标。

遗传算法参数给出如下:

误差函数极限突变率= 0.2 = 0.001

标准差= 0交叉率= 0.3

一代又一代的最大数量= 1000随机搜索= 0

人口规模= 50迭代= 50

优化补丁展品回波损耗为-28.24 dB在7 GHz。优化补丁天线的回波损耗图如图5所示。

电压驻波比:它是用于描述天线的性能,当输电线路。的测量天线的终端阻抗传输线的特性阻抗相匹配。SWR是团结的理想值,表明不存在驻波。Un-optimized ACMPA SWR 1.8 7.5 GHz。优化补丁天线的电压驻波比与频率变化如图6所示。从这个情节很明显,优化补丁SWR 7点1.08 ghz。

输入阻抗的情节:一个好的补丁设计的最重要的需求是其输入阻抗应真正纯粹的补丁共振的频率。图8显示了输入阻抗的变化的函数frequencyfor优化补丁。补丁设计的输入阻抗92Ω7.5 GHz和优化补丁已经7点51ΩGHz的输入阻抗,因此更好的阻抗匹配是实现优化的补丁。(图7)

方向性:这是最重要的一个贴片天线的参数;图8显示了三维极坐标图的优化ACMPA取得的最大的方向性是7点7.13 dB ghz而un-optimized MPA多29%。3 db波束宽度的优化补丁是73度。

二维辐射模式情节为Φ= 0°7 GHz un-optimized ACMPA和优化ACMPA如图9所示,可以看到二叶。

un-optimized之间的比较和优化ACMPA表3所示。

从上面的表格可以看出,使用遗传算法优化的贴片天线的性能比un-optimized补丁回波损耗、电压驻波比、输入阻抗和方向性。

结论

一个矩形微带贴片天线耦合微带线通过一个小矩形孔径在地平面设计和优化。GA非常精确和快速比较其他技术因为它编码参数和优化是完成了en-coded参数。基于在第四节的仿真结果可以得出结论,使用遗传算法优化补丁天线展品更好的回波损耗和辐射特性而un-optimized补丁设计使用的理论公式。优化补丁展品多29%的增益和17.14 dB更好的回波损耗比un-optimized补丁天线设计。未来的研究应该针对利用遗传算法优化技术来提高贴片天线阵列的性能。

引用

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