【正文】 電長(zhǎng)度較小的天線,效率僅為百分之幾,而單純的電抗加載的天線的帶寬又非常的窄,因?yàn)閷?duì)于這種天線來(lái)說(shuō),加載的電抗和加載位置都是頻率的函數(shù)。所以在設(shè)計(jì)中,如果采用RC或RCL混合加載,則效率將會(huì)大大提高。 a b 集中加載元件的等效電路圖 集中加載天線是把加載元件集中地加在天線的一個(gè)或幾個(gè)部位上,包含電阻R,電感L和電容C,圖a采用的是RLC的并聯(lián),圖b采用的是R和L先串聯(lián)再和C進(jìn)行并聯(lián),經(jīng)過(guò)多次理論計(jì)算與分析發(fā)現(xiàn):該兩種網(wǎng)絡(luò)都可以達(dá)到改善天線帶寬性能的目的,但后者的頻率穩(wěn)定性更好,而且在達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)的同時(shí),其使用的電感比前者更小,加載網(wǎng)絡(luò)體積便可相對(duì)縮小,這對(duì)于實(shí)際加載較為有利。然而RLC也有自身的優(yōu)點(diǎn),即改善效果更明顯,R值對(duì)加載網(wǎng)絡(luò)總體影響小于后者,因而比較方便地控制加載網(wǎng)絡(luò)引起的損耗。由于RLC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)便于在電磁場(chǎng)仿真軟件中實(shí)現(xiàn),本文選擇RLC并聯(lián)電路作為集中加載元件進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真。 天調(diào)系統(tǒng) 天調(diào)系統(tǒng)用于協(xié)調(diào)饋電電纜輸出端口與天線輸入之間的關(guān)系,完成阻抗匹配,可以很大程度上提高發(fā)射效率,從而實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的最大功率傳輸,如,可采用由阻抗變換器(如理想變壓器實(shí)現(xiàn)阻抗變換)及LC串、并聯(lián)電路組成的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配,并由開(kāi)關(guān)控制不同頻率段接入系統(tǒng)的具體的匹配電路結(jié)構(gòu)。,圖中,采用了5個(gè)理想變壓器阻抗變換器及LC倒L型無(wú)源網(wǎng)絡(luò),控制開(kāi)關(guān)起到在不同頻率段將適合該頻率段的匹配電路接入系統(tǒng)的作用,1為從天線饋線流入的電信號(hào),2為經(jīng)天調(diào)系統(tǒng)流入天線的電信號(hào),3為控制開(kāi)關(guān),Li、(i1,2,…,5),為電感和電容,Ni:N0為理想變壓器阻抗變換器的線圈匝數(shù)比(i1,2,…,5)。該結(jié)構(gòu)用以實(shí)現(xiàn)在天線工作頻帶內(nèi)進(jìn)行分頻段匹配(,將工作頻帶分為5段分別匹配),從而進(jìn)一步降低天線輸入端的VSWR(電壓駐波比),減小向天線饋電的回波損耗。 天調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 矩量法基本原理 在電磁場(chǎng)中的矩量法是指將基本的電磁場(chǎng)方程簡(jiǎn)化為一組可以用計(jì)算機(jī)處理的線性代數(shù)方程,從而可用簡(jiǎn)單的矩陣運(yùn)算得到數(shù)值解的方法。對(duì)于線天線結(jié)構(gòu),當(dāng)天線的最大尺寸不大于兩個(gè)波長(zhǎng)時(shí),非常適合于用矩量法,因此本節(jié)給出線天線矩量法計(jì)算的基本方法。 假設(shè)導(dǎo)線的線徑與波長(zhǎng)相比非常細(xì),導(dǎo)線上的電流只沿導(dǎo)線的軸線流動(dòng),則線上電流J產(chǎn)生的電場(chǎng)可表示為: (31) 其中 (32) 是需要確定的未知電流,k為波數(shù),。將表示成有限個(gè)展開(kāi)函數(shù)之和,則有(33) 如果求出了未知系數(shù),則能夠算出所感興趣的參數(shù),包括輸入阻抗和輻射電場(chǎng)等。 展開(kāi)函數(shù)又稱為基函數(shù),常分為兩類,一類是整域基函數(shù),定義在J的整個(gè)域上。另一類為分段基函數(shù),定義在J的各個(gè)分段上。分段基函數(shù)可以對(duì)任一形狀的輻射體分段處理,因而更方便,應(yīng)用也更廣泛。 分段正弦基函數(shù)首先由Richmond和Gcary于1970引入,即 (34) 式中,和分別是從到和到分段的長(zhǎng)度。和是相應(yīng)分段的單位矢量。設(shè)饋點(diǎn)處由饋源產(chǎn)生的已知電場(chǎng)為,對(duì)于理想導(dǎo)線,在導(dǎo)線表面的邊界條件為 (35) 式中為垂直于導(dǎo)線表面的單位矢量。將以上有關(guān)各式代入35,就得到了相對(duì)于的Pocklington方程。 在用矩量法求35的數(shù)值解過(guò)程中,可以選用與式34相同的權(quán)函數(shù),即伽遼金方法。權(quán)函數(shù)與基函數(shù)作內(nèi)積形成矩陣方程,從而可以將未知量寫(xiě)成以下形式 (36) 式中[V]是電壓矩陣,為列矢量,除了饋電點(diǎn)電壓之外,列矢量中所有單元都為零。[Z]是M 39。M39。階的阻抗矩陣,其中的各個(gè)元素可由Harrington給出的方法求得。 感應(yīng)電流J r39。在線元外作用點(diǎn)P的電場(chǎng)為(37) 。其中是三個(gè)點(diǎn)、和P三個(gè)點(diǎn)所在平面上并垂直于單位矢量,的定義與上述相同。、和分別為 (38) 式中是和之間的夾角,、和的定義與具有相類似的含意,。 由此可見(jiàn),如果方程36構(gòu)建起來(lái),則剩下的工作就如何有效地求解矩陣方程,得到天線上的電流分布,從而獲得所感興趣的輻射場(chǎng)問(wèn)題和輸入阻抗問(wèn)題等。 線單元上的電流 線單元坐標(biāo) 矩量法方程的求解 應(yīng)用矢量位A的波動(dòng)方程結(jié)合電場(chǎng)邊界條件可解得海倫方程: (39)式中。 天線中饋激勵(lì)電壓V0,并取脈沖函數(shù)作為展開(kāi)函數(shù),權(quán)函數(shù): (310)令(311) (312)則由 (313)得 (314) (315)式中m1,2…,N。 根據(jù)電流條件 (316)令 (317)海倫方程的矩陣形式就寫(xiě)成 (318)電流系數(shù)矩陣: (319)所以天線電流分布: (320)則根據(jù)公式:,就能求出天線的輸入阻抗。 本文根據(jù)上述矩量法原理,基于Matlab編寫(xiě)出利用矩量法估算半環(huán)天線的電流分布進(jìn)而估算其輸入阻抗等特性的程序(見(jiàn)附錄)。 在天線電性能優(yōu)化領(lǐng)域,目前流行的且比較實(shí)用的優(yōu)化算法有最速下降法、模擬退火算法,禁忌搜索法、以及仿生算法……在諸多優(yōu)化算法中各有各的優(yōu)點(diǎn)和局限性,需根據(jù)實(shí)際待解決的問(wèn)題合理選取、適當(dāng)設(shè)計(jì),甚至可以將各種優(yōu)化算法取精去粗結(jié)合使用。在上述天線優(yōu)化領(lǐng)域常用的優(yōu)化算法中,仿生算法就是一大類目前研究的比較火熱的算法,有蟻群優(yōu)化算法、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、模糊邏輯算法等等。 本文利用發(fā)展較為完善、應(yīng)用范圍很廣泛、程序設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單的遺傳算法作為本設(shè)計(jì)的優(yōu)化算法。 遺傳算法是仿生算法的一種,就是仿照自然界中生物進(jìn)化過(guò)程的一種算法。它不僅可以解決我們一般意義所理解的最優(yōu)化問(wèn)題,而且,目前在越來(lái)越多的領(lǐng)域內(nèi)取得了成功:如,最優(yōu)化圖像分割、圖像檢測(cè)、圖像識(shí)別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)挖掘、載人航天、大壩安全監(jiān)測(cè)、天線設(shè)計(jì)、物流管理、控制理論、集成電路設(shè)計(jì)、聚類分析、醫(yī)療診斷、材料設(shè)計(jì)等等。 遺傳算法是模擬生物在自然環(huán)境中的遺傳和進(jìn)化過(guò)程而形成的一種自適應(yīng)全優(yōu)化概率搜索算法。它的主要特點(diǎn)是:以決策變量的編碼作為運(yùn)算對(duì)象。直接以目標(biāo)函數(shù)值作為搜索信息。并同時(shí)使用多個(gè)搜索點(diǎn)的搜索信息。使用概論搜索技術(shù)。它是一種全新的全域優(yōu)化搜索方法,它是模擬自然界生物進(jìn)化過(guò)程與機(jī)制求解極值問(wèn)題的一類自組織、自適應(yīng)人工智能技術(shù)。它模擬達(dá)爾文的自然進(jìn)化論和孟德?tīng)柕倪z傳變異理論,具有堅(jiān)實(shí)的生物學(xué)基礎(chǔ)。提供從智能生成過(guò)程觀點(diǎn)對(duì)生物智能的模擬,具有鮮明的認(rèn)知學(xué)意義。它只需要利用目標(biāo)函數(shù)的取值信息,而無(wú)需梯度等高價(jià)信息,適合于無(wú)表達(dá)式或有表達(dá)式的任何類函數(shù),具有可實(shí)現(xiàn)的并行計(jì)算行為。 遺傳算法將普遍的數(shù)學(xué)模式抽象成數(shù)學(xué)語(yǔ)言就是: 開(kāi)始:按照問(wèn)題的特點(diǎn)隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)擁有N個(gè)解的母體群。適應(yīng)度計(jì)算:在實(shí)踐中檢驗(yàn)這些解對(duì)問(wèn)題的適應(yīng)度。檢驗(yàn)結(jié)果越符合要求,適應(yīng)度越大。產(chǎn)生新的種群:重復(fù)以下步驟,一直到新的母體群建立起來(lái)為止:(1)選擇:按照種群中的各個(gè)檢驗(yàn)結(jié)果的適應(yīng)度從中選擇一些結(jié)果 。適應(yīng)度越大,被選種的機(jī)會(huì)越大。(2)交叉(Cross):通過(guò)一定的方法和概率將選擇出的結(jié)果進(jìn)行重新組合。(3)變異(Mutation):以一定的概率對(duì)子代答案的每一個(gè)各個(gè)要素進(jìn)行變異。(4)接受:把個(gè)子代放到新的種群中去。(5)替換:對(duì)新產(chǎn)生的種群進(jìn)行更深入的算法運(yùn)算,淘汰掉(以概率淘汰,適應(yīng)度越差,淘汰的概率越大)不好的結(jié)果。(6)測(cè)驗(yàn):如果終止條件滿足,則停止。并且把當(dāng)前母體群中最好的解輸出。(7)循環(huán):如果(5)不滿足,則轉(zhuǎn)到(2)。否則繼續(xù)進(jìn)行。 遺傳算法在天線加載問(wèn)題中的應(yīng)用 下面我們便用優(yōu)化算法來(lái)對(duì)半環(huán)鞭天線加載以展寬頻帶縮小尺寸的問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化求解。 對(duì)于本文來(lái)說(shuō),考慮到天線的鞭狀半環(huán)結(jié)構(gòu),以及天線的剛性問(wèn)題,在天線半環(huán)頂部中央加載集中RLC并聯(lián)等效網(wǎng)絡(luò)以及在終端加載電阻。遺傳算法需要優(yōu)化的是加載電路的電路參數(shù)R、L、C,使之在一個(gè)寬頻帶內(nèi)增益和駐波比都達(dá)到最優(yōu)值。由于遺傳算法不能直接處理解空間的解數(shù)據(jù), 因此我們必須通過(guò)編碼將它們表示成遺傳空間的基因型串結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù), 即用一N位二進(jìn)制串染色體 來(lái)表示。我們首先進(jìn)行編碼。(1)編碼