一种基于形状融合算法的宽带天线自动化设计与优化方法与流程

本发明涉及一种天线的自动化设计与优化方法，属于天线技术领域。

背景技术：

宽带天线设计的一个重要步骤是确定天线的几何结构，而大多数对超宽带天线几何结构的设计都是基于设计者的经验得到一个初始或者大概的结构，然后再利用全波仿真软件去仿真优化天线的各个参数。而且天线的几何结构呈现出越来越复杂的趋势，这无疑增加了天线制作的难度。

目前以Ansoft HFSS为代表的全波仿真软件一般只适合对单个参数或者多个参数的扫描和优化是简单的线性扫描，这样将各个参数依次进行优化的过程有可能只是得到局部最优解，并不总是可以得到天线的最优性能。另一种常见的方式是对各个参数的全部取值范围进行扫描，由于对参数的扫描和优化一般都是线性的，因此在对多个参数同时进行扫描优化时，其效率将会大大降低。

此外，这种过多依靠设计者的经验的天线设计方法扩展性很差，一般只适合设计很特定的天线，对天线的尺寸，基板介质的介电常数和厚度等都要比较严格的要求。当需要换一种基板介质时，可能同一天线结构所设计的天线的性能就无法达到所需指标了，这样其应用范围就大大降低，也很难实现用计算机自动化设计超宽带天线。所以，我们需要寻找扩展性和普适性更好，应用范围更广的UWB天线自动设计和优化方法。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是提供一种宽带天线自动化设计与优化方法，该方法不用依赖于天线设计者的电磁理论知识和经验，能够满足不同无线系统对于天线的性能要求，大大提高了宽带天线的设计效率，并且具有很好的扩展性和普适性，应用范围广。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：将形状融合算法应用于平面印刷天线的局部或者整体的几何形状的自动化设计或优化过程中。其特征包括以下步骤：根据天线的性能要求，比如天线带宽，得到一组具有基 本几何形状的平面天线；通过对这些天线中局部或者整体的几何形状的融合来得到一些新的几何形状，这些新的形状同时具有初始形状和目标形状的某些特性，所以具有这些新形状辐射贴片的天线的性能也同时具有初始形状辐射贴片天线和目标形状辐射贴片天线的某一些性能特性，从而获取更好的天线性能。

所述的一种基于形状融合算法的宽带天线自动化设计与优化方法具体包括以下步骤：

一：根据天线带宽的要求，选取两个基本天线，分别是CPW馈电圆形辐射贴片宽缝隙天线与CPW馈电菱形辐射贴片宽缝隙天线，它们的辐射贴片的形状分别是圆形与菱形。

二：将上述两种天线中的圆形与菱形提取出来，分别作为初始形状和目标形状，进行形状融合。对初始形状和目标形状进行特征点的选取和对应，得到对应的特征点后进行插值，从而可以得到一系列的形状。

三：根据步骤二，可以得到一系列的天线，具有不同的天线带宽，从而满足不同系统的需求或者对天线的带宽进行改善。

所述的对初始形状和目标形状进行特征点的选取和对应，具体包括以下步骤：

步骤1：将初始形状和目标形状的中心在原点上重合；

步骤2：在初始形状上选取了多个特征点，然后将多个特征点分别与原点连接，形成多条射线，得到的多条射线与目标形状的多个交叉点，这些交叉点作为目标形状的特征点；

步骤3：将初始形状的多个特征点与目标形状的多个特征点进行对应。

本发明的基于形状融合算法的宽带天线自动化设计与优化算法具有以下有益效果：

(1)和传统的遗传算法相比，这种新的算法减小了搜索空间，在算法效率方面有较为明显的提高，节省了计算时间，天线尺寸上也有所减小。

(2)这种新的方法具有很好的扩展性和普适性，不仅可以应用于宽带天线自动设计与优化，也可以应用于其他各类天线的设计与优化过程。

(3)这种新的方法可以容易得到一系列天线，做到一次设计，多个结果，从而大大提高了设计的效率。

附图说明

图1本发明一实施例应用于CPW结构馈电矩形宽缝隙天线的基本结构；

图2实施例的初始形状与目标形状；

图3实施例中Ray firing算法选择对应点示意图；

图4实施例中圆形与菱形融合所产生的各种形状；

图5实施例中不同形状的辐射贴片对应的回波损耗S₁₁；

图6实施例最终几何机构；

图7实施例电压驻波比仿真结果与实测结果。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施实例仅是本发明在共面波导馈电宽缝隙天线的一个具体的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

对于共面波导馈电宽缝隙天线，天线辐射贴片的几何形状对天线的性能，特别是阻抗带宽有着很大影响。本实施例中，为了找到此时使得天线性能参数指标最佳的辐射贴片的形状和尺寸大小，利用形状融合算法对天线的辐射贴片进行了自动化设计与优化。

天线的基本几何结构如图1所示。天线印制的基板的厚度为0.508mm，相对介电常数为3.66，损耗角正切为0.004，整个平面天线的尺寸为W×L。共面波导馈电线宽度s为1.0mm，馈电线与地板的缝隙g为0.2mm。连接共面波导馈线的辐射贴片的外接矩形尺寸为w×l，如图1中虚线框所示，对大小为W₁×L₁的接地面上的矩形宽缝隙进行激励。虚线框所表示的天线辐射贴片就是需要自动化设计优化的部分。天线结构其余尺寸具体如下：

L＝W＝32mm,h＝0.787mm,L₁＝26mm,W₁＝16.8mm,d＝7.2mm,g＝0.2mm,s＝1.0mm,dw＝0.13mm,l＝12mm,w＝12mm

具体包括以下步骤：

(1)根据天线带宽的要求，选取两个基本天线，分别是CPW馈电圆形辐射贴片宽缝隙天线与CPW馈电菱形辐射贴片宽缝隙天线，它们的辐射贴片的形状分别是圆形与菱形。

(2)将上述两种天线中的圆形与菱形提取出来，分别作为初始形状和目标形状，进行形状融合，如图2所示。使用Ray firing法进行特征点的选取和对应。如图3，将圆形与菱形置于同一坐标系下，使得它们的中心在原点上重合。在圆形上选取了12个特征点A₁-A₁₂，然后分别和原点连线形成12条射线，这12条射线和菱形产生12个交点B₁-B₁₂，作为菱形的特征点。A₁-A₁₂分别对应B₁-B₁₂。插值方法采用简单的线性插值，得到融合的形状C可由下式表示：

C(t)＝(1-t)A+tB

＝[(1-t)A₁+tB₁，...，(1-t)A_n+tB_n]

＝[C₁(t)，...，C_n(t)]

其中n＝12，t是形状融合系数。产生的一系列新的形状如图4所示。

(3)根据步骤2，可以得到一系列的天线，具有不同的天线带宽，从而满足不同系统的需求或者对天线的带宽进行改善。

不同的t的值，得到不同的形状的辐射贴片和天线，这些天线的回波损耗S₁₁的仿真结果如图5所示。从图5中可以看到，当t的值从0开始逐渐增大时，天线的阻抗带宽性能逐步改善，当t＝1.3时，天线的阻抗带宽达到最优值，并且可以覆盖整个UWB频段。此时对应的辐射贴片的形状和最后天线的几何结构如图6所示。

图7给出了仿真和测试的比较结果。如图所示，天线的阻抗带宽实测结果为3.05-11.7GHz，实测相对带宽为117％，仿真结果为2.48-12.12GHz，仿真相对带宽为132％，在UWB整个频段内的回波损耗S₁₁都小于-10dB。