【正文】 電長度較小的天線,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,因為對于這種天線來說,加載的電抗和加載位置都是頻率的函數(shù)。所以在設(shè)計中,如果采用RC或RCL混合加載,則效率將會大大提高。 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或幾個部位上,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進行并聯(lián),經(jīng)過多次理論計算與分析發(fā)現(xiàn):該兩種網(wǎng)絡(luò)都可以達到改善天線帶寬性能的目的,但后者的頻率穩(wěn)定性更好,而且在達到優(yōu)化目標的同時,其使用的電感比前者更小,加載網(wǎng)絡(luò)體積便可相對縮小,這對于實際加載較為有利。然而RLC也有自身的優(yōu)點,即改善效果更明顯,R值對加載網(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)便于在電磁場仿真軟件中實現(xiàn),本文選擇RLC并聯(lián)電路作為集中加載元件進行設(shè)計和仿真。 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,從而實現(xiàn)電信號的最大功率傳輸,如,可采用由阻抗變換器(如理想變壓器實現(xiàn)阻抗變換)及LC串、并聯(lián)電路組成的無源網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)阻抗匹配,并由開關(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個理想變壓器阻抗變換器及LC倒L型無源網(wǎng)絡(luò),控制開關(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,2為經(jīng)天調(diào)系統(tǒng)流入天線的電信號,3為控制開關(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)用以實現(xiàn)在天線工作頻帶內(nèi)進行分頻段匹配(,將工作頻帶分為5段分別匹配),從而進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)簡圖 矩量法基本原理 在電磁場中的矩量法是指將基本的電磁場方程簡化為一組可以用計算機處理的線性代數(shù)方程,從而可用簡單的矩陣運算得到數(shù)值解的方法。對于線天線結(jié)構(gòu),當天線的最大尺寸不大于兩個波長時,非常適合于用矩量法,因此本節(jié)給出線天線矩量法計算的基本方法。 假設(shè)導(dǎo)線的線徑與波長相比非常細,導(dǎo)線上的電流只沿導(dǎo)線的軸線流動,則線上電流J產(chǎn)生的電場可表示為: (31) 其中 (32) 是需要確定的未知電流,k為波數(shù),。將表示成有限個展開函數(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等。 展開函數(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的整個域上。另一類為分段基函數(shù),定義在J的各個分段上。分段基函數(shù)可以對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度。和是相應(yīng)分段的單位矢量。設(shè)饋點處由饋源產(chǎn)生的已知電場為,對于理想導(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,就得到了相對于的Pocklington方程。 在用矩量法求35的數(shù)值解過程中,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成以下形式 (36) 式中[V]是電壓矩陣,為列矢量,除了饋電點電壓之外,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P的電場為(37) 。其中是三個點、和P三個點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,如果方程36構(gòu)建起來,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問題和輸入阻抗問題等。 線單元上的電流 線單元坐標 矩量法方程的求解 應(yīng)用矢量位A的波動方程結(jié)合電場邊界條件可解得海倫方程: (39)式中。 天線中饋激勵電壓V0,并取脈沖函數(shù)作為展開函數(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編寫出利用矩量法估算半環(huán)天線的電流分布進而估算其輸入阻抗等特性的程序(見附錄)。 在天線電性能優(yōu)化領(lǐng)域,目前流行的且比較實用的優(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)點和局限性,需根據(jù)實際待解決的問題合理選取、適當設(shè)計,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)計相對簡單的遺傳算法作為本設(shè)計的優(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化過程的一種算法。它不僅可以解決我們一般意義所理解的最優(yōu)化問題,而且,目前在越來越多的領(lǐng)域內(nèi)取得了成功:如,最優(yōu)化圖像分割、圖像檢測、圖像識別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重設(shè)計、數(shù)據(jù)挖掘、載人航天、大壩安全監(jiān)測、天線設(shè)計、物流管理、控制理論、集成電路設(shè)計、聚類分析、醫(yī)療診斷、材料設(shè)計等等。 遺傳算法是模擬生物在自然環(huán)境中的遺傳和進化過程而形成的一種自適應(yīng)全優(yōu)化概率搜索算法。它的主要特點是:以決策變量的編碼作為運算對象。直接以目標函數(shù)值作為搜索信息。并同時使用多個搜索點的搜索信息。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化過程與機制求解極值問題的一類自組織、自適應(yīng)人工智能技術(shù)。它模擬達爾文的自然進化論和孟德爾的遺傳變異理論,具有堅實的生物學(xué)基礎(chǔ)。提供從智能生成過程觀點對生物智能的模擬,具有鮮明的認知學(xué)意義。它只需要利用目標函數(shù)的取值信息,而無需梯度等高價信息,適合于無表達式或有表達式的任何類函數(shù),具有可實現(xiàn)的并行計算行為。 遺傳算法將普遍的數(shù)學(xué)模式抽象成數(shù)學(xué)語言就是: 開始:按照問題的特點隨機產(chǎn)生一個擁有N個解的母體群。適應(yīng)度計算:在實踐中檢驗這些解對問題的適應(yīng)度。檢驗結(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為止:(1)選擇:按照種群中的各個檢驗結(jié)果的適應(yīng)度從中選擇一些結(jié)果 。適應(yīng)度越大,被選種的機會越大。(2)交叉(Cross):通過一定的方法和概率將選擇出的結(jié)果進行重新組合。(3)變異(Mutation):以一定的概率對子代答案的每一個各個要素進行變異。(4)接受:把個子代放到新的種群中去。(5)替換:對新產(chǎn)生的種群進行更深入的算法運算,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)測驗:如果終止條件滿足,則停止。并且把當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)進行。 遺傳算法在天線加載問題中的應(yīng)用 下面我們便用優(yōu)化算法來對半環(huán)鞭天線加載以展寬頻帶縮小尺寸的問題進行優(yōu)化求解。 對于本文來說,考慮到天線的鞭狀半環(huán)結(jié)構(gòu),以及天線的剛性問題,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,使之在一個寬頻帶內(nèi)增益和駐波比都達到最優(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位二進制串染色體 來表示。我們首先進行編碼。(1)編碼