基于遺傳算法高增益單極子天線設(shè)計(jì)

楊濤 朱家梁

摘要：為了滿足實(shí)際電子對抗領(lǐng)域的需求，在有限空間內(nèi)設(shè)計(jì)了一個UHF頻段的雙頻單極子天線，并使用數(shù)值軟件中編寫的遺傳算法（GeneticAlgorithm，GA）聯(lián)合電磁仿真軟件仿真的方式，設(shè)計(jì)并優(yōu)化了匹配電路，使得天線在保留原有增益的情況下顯著地提升了帶寬。使用算法優(yōu)化后的天線在135～175MHz，270～300MHz駐波比小于2.5，帶寬是優(yōu)化前的3倍，增益能滿足使用要求。

關(guān)鍵詞：遺傳算法；多頻帶；單極子天線；天線綜合

中圖分類號：TN821文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1008-1739（2022）15-53-5

0引言

隨著通信系統(tǒng)的發(fā)展，天線在無線通信系統(tǒng)中的作用逐漸變得不可或缺，而現(xiàn)代通信中電子對抗和保密通信等相關(guān)需求的產(chǎn)生，使得傳統(tǒng)窄帶天線已經(jīng)不再能滿足天線多頻帶、寬帶和高增益等的需求，同時，移動平臺（車載、機(jī)載和吊艙）上可供安裝天線的位置十分有限，這也對天線的小型化設(shè)計(jì)提出了新的需求，因此一些小型化的寬帶高增益天線逐漸進(jìn)入人們的視野。

鞭天線由桿狀金屬柱天線和金屬反射面地板構(gòu)成，其因?yàn)闄M向尺寸很小的特點(diǎn)而被廣泛地應(yīng)用在通信領(lǐng)域，在一些尺寸受限的環(huán)境中（如地面電臺、飛機(jī)、潛艇吊艙和單兵背包）能夠很好地發(fā)揮其性能。其中UHF/VHF頻段作為移動通信的重要頻段，鞭天線的使用更為廣泛，然而這一頻段的全向鞭天線一般尺寸較大，不利于在一些有尺寸限制的場景中使用，因此需要對鞭天線做小型化、輕量化設(shè)計(jì)。

在鞭天線的設(shè)計(jì)中，寬帶、高增益和小型化是相互制約的，小型化的設(shè)計(jì)限制了天線的尺寸，使得天線無法在低頻段獲得良好的匹配，天線的增益會受到影響；其次，為了擴(kuò)展帶寬，就需要加入阻抗匹配電路，實(shí)現(xiàn)寬帶的阻抗匹配[1-3]，RLC電路的損耗也會一定程度上降低天線的增益，使得小型化和寬帶匹配都會和高增益存在諸多矛盾。因此寬帶、高增益和小型化是天線設(shè)計(jì)中需要綜合考量設(shè)計(jì)的幾個方面，需要做到合理分配和綜合優(yōu)化。

天線綜合技術(shù)是綜合上述需求的天線整體設(shè)計(jì)方法，由于每一種設(shè)計(jì)方法的適用范圍相對有限（例如加粗天線增加帶寬的方式會使得天線的橫截面增加進(jìn)而影響天線的輕量化，增加阻性元器件會在改善天線匹配的同時損失天線的增益等）。因而，使用綜合設(shè)計(jì)的方式能夠兼顧天線的小型化、輕量化等需求，同時在增加天線原帶寬的基礎(chǔ)上盡可能保證增益，在天線的諸多要求中尋求一個合理的平衡，實(shí)現(xiàn)天線的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本文通過綜合優(yōu)化的方式，使用遺傳算法（Genetic Algorithm，GA）聯(lián)合CST和ADS進(jìn)行天線和匹配電路的綜合設(shè)計(jì)，根據(jù)電子對抗的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了一個工作在135～175 MHz，270～300 MHz的雙頻單極子天線，在全頻帶內(nèi)天線駐波比小于2.5；通過匹配電路的綜合優(yōu)化，使得原天線的低頻帶寬從14 MHz增加到46 Mhz，同時通過遺傳算法優(yōu)化匹配電路的方式，減小了匹配電路中有耗原件的阻值，在駐波比滿足要求的情況下盡可能地保證了天線的增益下降最低，使得在最低頻率增益僅下降1.91 dB，在部分諧振區(qū)域增益不變或提高。最后，將匹配電路帶入全波仿真軟件進(jìn)行了驗(yàn)證，其結(jié)果和綜合設(shè)計(jì)路仿真結(jié)果基本一致，能很好地實(shí)現(xiàn)在該頻段電子對抗的功能。

1單極子天線設(shè)計(jì)

一般情況下，吊艙天線相比其他天線在尺寸上的限制會更為嚴(yán)格，受限于吊艙預(yù)留位置的問題，往往難以在有限的空間內(nèi)設(shè)計(jì)達(dá)到良好的空間匹配效果。如圖1所示，吊艙放置位置有較為嚴(yán)格的限制，單極子縱向長度最大值max=600 mm，因此將單極子的縱向高度最大值按照=max=600 mm設(shè)計(jì)。

在單極子天線的優(yōu)化過程中，往往將天線部分的優(yōu)化和匹配網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化分開處理，這是因?yàn)閮?yōu)化天線是為了得到好的輸入阻抗和好的輻射方向圖，優(yōu)化匹配網(wǎng)絡(luò)的目的是得到好的輸入阻抗，而匹配網(wǎng)絡(luò)只影響?zhàn)侂姸说妮斎肫ヅ?，并不會影響到天線的輻射方向圖，與天線部分的特性相對獨(dú)立，可以以路的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真，分離兩部分進(jìn)行設(shè)計(jì)可以一定程度上降低全波仿真和設(shè)計(jì)的難度。天線部分的優(yōu)化側(cè)重優(yōu)化方向圖，匹配網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化側(cè)重優(yōu)化駐波比，這樣的側(cè)重優(yōu)化，能簡化優(yōu)化時間，同時得到最好的優(yōu)化結(jié)果。

可以看到，加入RLC電路后，諧振點(diǎn)的位置向中頻偏移，其中低頻從131 MHz偏移到158 MHz，高頻從368 MHz回落到296 MHz，2個頻段均為電子對抗所需的目標(biāo)頻段，通過RLC調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了雙頻諧振向不同方向移動的目標(biāo)。

值得注意的是，在優(yōu)化過程中，諧振頻率與LC的值大致呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)趨勢，并且對低頻的諧振影響更為明顯，除此之外，電感的增大能使得天線的低頻諧振帶寬增加，低頻中心頻率處的匹配會劣化，而電容的增加能使天線的低頻諧振處中心頻率的匹配得到優(yōu)化，但會使得低頻諧振的帶寬下降，這與理論是一致的。

在加入RLC電路后，鞭天線的回波和增益情況如表1所示?？梢钥吹剑虞dRLC電路可以很好地調(diào)整諧振位置，但對于帶寬的擴(kuò)展能力是有限的，并且根據(jù)算法優(yōu)化的過程可以得出，帶寬的擴(kuò)展是以匹配的劣化為代價的，并不能在保證良好匹配的情況下得到滿足天線帶寬的要求，考慮到天線尺寸的限制，需要通過引入匹配電路的方式實(shí)現(xiàn)良好匹配下帶寬的擴(kuò)展。

2遺傳算法及匹配電路設(shè)計(jì)

根據(jù)分析可知，僅僅通過加載RLC并不能很好地拓展帶寬和降低駐波比，因此需要引入匹配網(wǎng)絡(luò)來改善天線的匹配情況以達(dá)到擴(kuò)展帶寬的目的[4-6]。通過遺傳算法聯(lián)合路仿真的方式優(yōu)化匹配網(wǎng)絡(luò)中各個集中元器件的參數(shù)，使目標(biāo)天線實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展帶寬和盡可能減少增益損失的目標(biāo)。

遺傳算法是基于進(jìn)化理論和遺傳基因原理的智能搜索優(yōu)化方法，通過將仿真中的參數(shù)提煉成基因種群，優(yōu)化基因樹從而影響表達(dá)的方式來優(yōu)化參數(shù)所表達(dá)的特性參量；而優(yōu)勝劣汰的模式則是通過適應(yīng)度函數(shù)決定，根據(jù)適應(yīng)度函數(shù)值表明待篩個體與目標(biāo)個體的差異，摒棄劣質(zhì)染色體，生成更能適應(yīng)目標(biāo)特性的個體，種群就這樣一代一代進(jìn)化，最后找到一組最優(yōu)的個體，求得問題的最優(yōu)解。

遺傳算法示意如圖5所示，在遺傳算法的優(yōu)化過程中，最為核心的是確定優(yōu)化適應(yīng)度函數(shù)，適應(yīng)度函數(shù)的設(shè)定決定了優(yōu)化的方向，同時合適的適應(yīng)度函數(shù)選擇也能減少優(yōu)化迭代的次數(shù)。

值得注意的是，由于遺傳算法本身的局限性，會使得單一運(yùn)算的結(jié)果存在一定的可能遺傳進(jìn)化到局部最優(yōu)解的位置，因此在通過遺傳算法優(yōu)化的過程中，需要對于目標(biāo)函數(shù)的初值進(jìn)行合理選取，對優(yōu)化過程進(jìn)行一定程度的多次迭代，盡可能地避免局部最優(yōu)解的產(chǎn)生。

根據(jù)算法可得，當(dāng)設(shè)置1min=136，1max=175，2min=270，2max=300，時，可優(yōu)化得到在增益損失最小前提下的最大帶寬，其回波參數(shù)如圖7所示?？梢钥闯觯?36～181 MHz范圍內(nèi)，11≤7.2 dB，駐波比小于2.5，在274～302 MHz，11≤7.2 dB，駐波比小于2.5。

為了得到更好的駐波比，匹配電路設(shè)計(jì)和優(yōu)化的過程中，不可避免地引入了阻性原件，這會導(dǎo)致單極子在回波優(yōu)化的同時，不可避免地改變各個頻點(diǎn)的增益值，因此需要對匹配電路和單天線的全波仿真結(jié)果進(jìn)行聯(lián)合場路聯(lián)合仿真；通過在電磁仿真軟件中加入匹配電路，將匹配電路末級匹配輸出作為天線饋電端口的方式進(jìn)行天線仿真設(shè)計(jì)，可以得到天線在加入匹配電路之后的增益情況。為了驗(yàn)證電路仿真實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，除了場路聯(lián)合仿真外，還在全波仿真軟件中進(jìn)行了匹配電路的還原設(shè)計(jì)和全波仿真，將聯(lián)合優(yōu)化的路仿真結(jié)果加入到全波仿真軟件中進(jìn)行全波仿真，可以得到加入匹配網(wǎng)絡(luò)之后天線的增益情況。其仿真模型如圖8所示。圖中單極子天線和圖3一致，在背面加載了RLC原件和等效傳輸線。

路仿真和場仿真的結(jié)果對比如圖9所示。

由圖9可以看出，全波仿真結(jié)果和ADS仿真差距不大。其中LCdegCR為在全波仿真軟件中全波仿真的11，LCdegCR_ads為在路仿真的11。

不同頻率加載匹配電路前后方向圖增益變化如圖10所示。

從圖10可以看到，加載匹配電路之后，低頻帶寬從13 MHz增加到45 MHz，從9.7%增加到29.7%，帶寬增加了3倍，同時最低頻136 MHz增益僅衰減1.89 dB，整體增益情況影響較小；高頻帶寬從9 MHz增加到28 MHz，從3%增加到9.72%，帶寬增加了3倍，很好地實(shí)現(xiàn)了在保證低頻增益的情況下擴(kuò)展了帶寬，滿足了電子對抗領(lǐng)域雙頻天線的需求，其加載優(yōu)化的匹配電路前后增益變化情況如表4所示。

3結(jié)束語

本文根據(jù)實(shí)際電子對抗領(lǐng)域的需求，基于遺傳算法在有限空間內(nèi)設(shè)計(jì)了一個UHF頻段的雙頻單極子天線，通過優(yōu)化單極子天線上RLC諧振的方式優(yōu)化了諧振位置，并使用Matlab遺傳算法聯(lián)合ADS和CST仿真的方式，設(shè)計(jì)并優(yōu)化了匹配電路，在保證保留原有增益的情況下顯著地提升了帶寬，使得在135～175 MHz，270～300 MHz的2個目標(biāo)頻率范圍內(nèi)帶寬均提升了3倍，最低配增益下降僅1.89 dB，在增加帶寬的同時保留了原天線的高增益。該天線的設(shè)計(jì)方法通過將遺傳算法和天線設(shè)計(jì)相結(jié)合，優(yōu)化場路聯(lián)合仿真結(jié)果，并通過全波仿真的方式驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)了通過適應(yīng)度函數(shù)調(diào)整的方式精準(zhǔn)優(yōu)化天線的特性參數(shù)，能夠在限定的條件下得到與目標(biāo)天性性能最匹配的天線尺寸和加載參數(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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