VHF宽带小型化套筒天线的优化设计_纪奕才

文章编号　1005-0388(2003)06-0659-04VHF 宽带小型化套筒天线的优化设计纪奕才1　田步宁2　孙保华1　刘其中1(1.西安电子科技大学天线与电磁散射研究所,西安,710071;2.航天科技集团第504研究所,西安,710061)摘　要　研究了VHF 宽带小型化套筒天线的设计与制作。

采用遗传算法与模拟退火法相结合的优化方法,对套筒天线的结构参数以及宽带匹配网络的元件值进行一体化设计。

分别采用外插收敛法、[Z ]矩阵插值法以及小波变换法来提高矩量法分析计算天线的速度。

利用该方法成功的设计了两副全向宽带小型化的套筒天线。

关键词　套筒天线,遗传算法,模拟退火法,宽带匹配网络中图分类号　TN820 文献标识码　AOptimal design of broadband miniature VHF sleeve antennasJI Yi -cai 1　TIAN Bu -ning 2　SUN Bao -hua 1　LIU Qi -zhong 1(1.Res earch Inst .of antennas and EM s cattering ,Xidian Univ .,Xi ′an Shanx i 710071,China ;2.T he 504th Inst .of China Aerospace &T echnology Corp .,Xi ′an Shanxi 710061,China )Abstract In this paper ,a novel optimal -designing approach ,w hich combines the ge -netic algorithm (GA )and the simulating annealing method (SA ),is applied to the sy n -thesis of sleeve antennas .The antenna parameters and matching netw ork parameters are optimized simultaneously .The co nvergence acceleration methods ,the [Z ]matrix inter -polation ,and the Daubechies discrete w avelet transform are used in the method of mo -ment fo r the fast and accurate computation .The success of the proposed procedure is demonstrated through its application to the design of tw o broadband miniature sleeve an -tennas .Key words sleeve antenna ,GA ,SA ,broadband matching netwo rk1　引　言套筒天线具有工作频带宽,增益高的优点,广泛地应用在车载或舰载的移动通信系统中[1]。

在VHF 波段以往设计的套筒天线往往尺寸很大,占用了很大空间,限制了载体的快速移动。

套筒天线的计算方法有许多种[2、3],其中最为成功的是文献[4]采用D .H .Wernter 提出的处理粗振子天线的模型[5]而设计的方法,该方法计算精度高收敛速度快,对套筒天线的制作有着很好的指导作用。

文献[6～9]分别采用外插收敛法、[Z ]矩阵插值法以及小波变换法来提高矩量法分析计算天线的速度,取得了很好的效果。

本文将上述各种提高速度的新技术应用在套筒天线的分析计算中,并采用遗传算法和模拟退火法相结合的优化算法[10]来优化设计VHF 宽带小型化的套筒天线,使天线在满足电性能指标的前提下,尽量的减小尺寸。

必要的时候采用加入宽带匹配网络的方法来提高天线的电性能。

2　套筒天线的分析方法和优化设计套筒天线的几何结构如图1所示,其各结构参数主要有:内导体高度H ,套筒高度L ,馈电点高度收稿日期:2003-01-23第18卷　第6期2003年12月 电　波　科　学　学　报CHINESE JO URNAL OF RADIO SCIENCE Vol .18,No .6December ,2003DOI :10.13443/j .cjors .2003.06.015L 1,内导体半径a ,外导体半径b 。

套筒天线采用同轴线馈电,同轴线内芯接套筒天线内导体上半部分,同轴线外皮接套筒天线内导体下半部分。

图1　套筒天线结构参数图套筒天线的内导体和外导体一般都是较粗的圆柱导体,因此在采用矩量法计算时,传统的细线模型已经不能准确描述粗圆柱体上的表面电流。

为此文中采用D .H .Werner 提出的处理粗振子天线的方法[5]来计算套筒天线,该方法将天线积分核及其相关积分的大部分情况可解析表示为级数求和的形式进行计算,提高了求解阻抗矩阵元素的速度和精度。

为进一步提高计算的速度,采用了以下三种加速算法:1.采用外插收敛加速算法对积分核的级数求和进行快速计算,使阻抗矩阵元素的求解速度提高了几十倍。

2.采用在频域对阻抗矩阵[Z ]进行插值的方法,只需计算三个频率点上的[Z ]矩阵,就可以通过插值方法求得频带内其他频点上的[Z ]矩阵,阻抗矩阵的填充速度提高了近十倍。

3.采用小波变换的方法来快速求解矩量法生成的矩阵方程,该方法通过小波变换将阻抗矩阵[Z ]转化为稀疏矩阵,然后采用迭代方法求解矩阵方程,只需O (N log N )次运算,提高了矩阵方程的求解速度。

以上计算套筒的方法以及三种加速算法在文献[6～9]中有详细的论述,采用这些算法后可以快速精确的计算套筒天线的电特性。

经过多年来的工程实践证明上述计算方法对套筒天线的设计有着很好的指导作用,其理论计算的结果与实验设计的结果吻合很好[9]。

工作在VHF 波段的套筒天线,天线的尺寸非常大,不能满足车载或舰载移动通信的需要。

为解决这一问题,本文采用小尺寸的套筒天线,然后在套筒天线的馈电点处加入一宽带匹配网络来实现天线的宽带化小型化。

由于套筒天线的五个结构参数以及宽带匹配网络的每个元件的选值都会影响它的电性能,合理选择这些参数合适的值显得尤为重要。

为此要对这些参数进行优化设计,从数学角度看,这一设计问题是一个多变量、多目标、有约束、非线性优化问题。

本文采用遗传算法(GA )和模拟退火法(SA )相结合的方法[10]来优化设计宽带小型化套筒天线。

GA 与SA 相结合的设计方法,不仅消除了单纯使用GA 因编码造成的量化误差,而且使两种全局算法的解互为初值,提高了优化的收敛速度。

由于优化的结果要同时满足电压驻波比和系统增益的指标,因此要设计合适的目标函数来同时兼顾这两个方面。

本文选用由两部分组成的目标函数 F =-∑Nfi =1u (VS WR (f i ),VS WR 0)-∑Nfi =1u (G S0,G S(f i ,θ0))(1)式中u 是一个函数,即u (x ,y )=|x -y |2,x >y0, x ≤y(2)N f 是频带内采样点的个数,VSW R (f i )是每个频点上的电压驻波比,VS WR 0是电压驻波比的设计目标。

G S (f i ,θ0)是天线在每个频点上俯仰角为θ0时的系统增益,G S0为天线系统增益的设计目标,这里希望在天线水平面内得到最大增益,所以取θ0=90°。

系统增益定义为 G S (f i ,θ0)=G a (f i ,θ0)+10log (1-|Γ|2)dB(3)式中G a(f i ,θ0)是天线在每个频点上俯仰角为θ0时的功率增益,Γ是天线的匹配网络输入端的电压反射系数。

从式(1)可以看出,当各个采样频点上的电压驻波比和系统增益都满足设计目标时,其函数值等于0,这两项值达到最大。

本文使用的GA 与SA 相结合的方法优化设计天线宽带匹配网络基本过程是:1.随机产生初始群体{x i ,i =1,…,M }。

其中个体x i 由套筒天线的结构参数及宽带匹配网络的所有元件值组成。

在进行遗传算法优化设计时,x i 将采用二进制编码表示。

660电　波　科　学　学　报 第18卷2.GA优化设计。

遗传算法是借鉴生物界自然选择和遗传机制而形成的一类随机搜索算法,该方法以其简单通用、鲁棒性强的优点。

套筒天线的结构参数、电感及电容值均采用15位二进制编码表示,阻抗变换器采用10位二进制编码表示,通过控制遗传的总代数,获得最优解x1。

3.SA优化设计。

模拟退火法是一种基于热力学退火原理建立的随机搜索算法,它通过采用概率双向随机搜索技术,克服了爬山法极易陷入局部最优解的缺点,是一种能够收敛于全局最优解的优化算法。

以x1为初始值,给定SA的初始温度T和降温系数k,进行二次优化计算,获得最优解x2。

4.判断是否终止。

计算目标函数F或ε(x1, x2)的值,若F小于0或者ε(x1,x2)>ε0,将x2作为一个新个体,转(1)重新进行计算;若F等于0或ε(x1,x2)≤ε0,则终止,且x2为最优解。

式中的ε0为预先给定的一个常数,ε(x1,x2)=F(x2)-F (x1)。

3　数值结果按照前述的数值计算方法编制了计算程序。

首先设计一个80～120MHz套筒天线,指标要求天线直径不超过0.1m,天线的电压驻波比VSW R< 2.0,增益大于4.0dBi。

最后设计结果为:天线内导体高度H=0.915m;套筒高度L=0.537m;馈电点高度L1=0.183m;内导体直径2a=0.01 m;外导体直径2b=0.10m。

如图2所示,在整个频带内,天线的电压驻波比小于1.83,辐射增益在5.0dB以上,很好的达到了设计要求。

同时,图中给出了天线的电压驻波比的实验测试值,与理论计算结果吻合良好。

下面设计一用于舰载的30～88MHz全向宽带小型化套筒天线,指标要求天线高度不高于1.8m,直径不超过0.15m,天线的电压驻波比小于3.0,增益高于3.0dB。

优化设计中发现要满足这一结构要求,单纯采用套筒天线无法满足电特性要求。

为此加入一宽带匹配网络来改善电特性,选定的网络结构如图3所示。

然后对天线和匹配网络参数进行一体化设计,最后优化设计的主要结果是:套筒天线内导体高度H=1.80m;套筒高度L=0.266m;馈电点高度L1=0.208m;内导体直径:2a=0.1188 m;外导体直径:2b=0.15m。

匹配网络各元件的值分别为:电感L1=25.17nH;电容C2=160.0pF;电感L2=52.59nH;电容C3=180.0pF;电感L3=47.9nH;变压器比T=2∶3。