一种基于遗传算法的天线结构设计方法

文档序号:9811112阅读:527来源:国知局
一种基于遗传算法的天线结构设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及天线结构领域,具体涉及一种基于遗传算法的天线结构设计方法。
【背景技术】
[0002] 无线射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术是从二十世纪九十 年代兴起的一种基于射频原理实现的非接触式自动识别技术。与目前常用的其他自动识别 技术相比,RFID具有精度高,如条形码、磁卡、接触式1C卡等,其具有体积小、形状多样、抗污 染能力、耐久性好、穿透性好、可重复使用和安全性高等优点。随着科学的进步,RFID产品已 被广泛应用于社会、经济、国防等众多领域,例如高速公路收费系统、物流与供应链管理系 统、门禁系统、防伪和安全控制系统、流水线生产自动化、畜牧管理等。RFID技术将成为未来 信息社会建设的一项重要技术。
[0003] 射频识别系统(RFID)-般由阅读器(P⑶)和应答器(PICC)两部分组成,如图1所 示。其中,阅读器一般作为计算机终端,用来实现对RFID的数据读写和储存,包括控制单元、 射频模块和天线;而应答器是射频识别系统真正的数据载体,通常应答器由耦合元件以及 微电子芯片组成。在阅读器的响应范围之外,应答器处于无源状态,只有当应答器处于阅读 器的响应范围之内,才会通过耦合单元接受来自阅读器的射频电源,为其电子芯片的工作 提供能量。因此,实现耦合的天线,在RFID系统中具有关键作用,RFID天线的性能直接决定 着整个系统的性能,故天线的设计直接关系到系统的通信距离和数据传输的可靠性。
[0004] 特别是针对13.56MHz频段的标签天线,国外的天线生产商基本是采用经验设计方 法,即设计者往往都是根据经验设计出结构尺寸。在设计完成之后,才能计算出天线的电感 参数,而这个设计方案对于某些参数,如感应电压、品质因子、印刷耗材最省等方面未必是 最优的,甚至不符合设计要求。因此为达到完全准确的天线电感设计,天线的设计还需进行 多次重新设计才能完成,而由此方法设计完成的天线仅为一具体实例,且其结构设计更是 一个将天线具体结构尺寸、电阻、电感、电容、谐振效率等多个相关联参数整合的复杂的计 算过程。
[0005] 或者采用序列二次规划算法求解非线性优化的方法,根据射频识别系统中的相关 参数计算出最优化的天线结构参数,即构建基于优化变量的目标函数和约束条件,采用序 列二次规划算法进行求解,使目标函数逐步收敛到最优解处,并输出天线结构参数的优化 结果。用这种方法解优化方程效率高、编写程序简单,但是却存在以下问题:
[0006] 1、计算时需要给出初值,故不同的初值可能得出不同的搜索结果,难以得出全局 最优解;
[0007] 2、每一步计算均需要求解一至两个二次规划子问题,以得到迭代方向,其计算工 作量大,难以应用于大规模问题;
[0008] 3、迭代过程中产生的二次规划子问题可能是无解,并使运算过程中断,尽管可用 其他措施重新定义迭代方向,但必然会增加算法的复杂性,增大计算的工作量。
[0009] 基于上述状况,如何改变标签天线在设计与生产方面的劣势、缩短天线的设计时 间、提高设计效率、降低天线的成本、提高天线的性能是非常重要的课题研究。

【发明内容】

[0010] 本发明要解决的技术问题在于,针对现有技术的上述缺陷,提供一种基于遗传算 法的天线结构设计方法,减少计算量,提高结果的计算精度和稳定性;且适用于计算大型问 题,提尚计算效率。
[0011] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:提供一种基于遗传算法的天线结构 设计方法,包括步骤:
[0012] 设置一天线结构优化公式,并在所述天线结构优化公式的最优解区域中,随机产 生若干数值作为初始遗传代的染色体;
[0013] 将前一个遗传代的全部染色体作为当前遗传代的初始染色体,且分别建立所述初 始染色体对应的目标函数,并根据目标函数的解值将所述初始染色体进行关联性排序,形 成当前遗传代的第一种群;
[0014] 分别计算第一种群的每个染色体的选择概率,且根据选择概率随机地选择若干染 色体,并对选中的染色体进行复制,形成当前遗传代的第二种群;
[0015] 对所述第二种群的染色体进行交叉操作和变异操作,形成当前遗传代的第三种 群;
[0016] 预设一具有足够多代的结束遗传代,若当前遗传代为结束遗传代,输出第三种群 中关联性最强的染色体及其目标函数;若当前遗传代不是结束遗传代,将当前遗传代的第 二种群中全部染色体作为下一个遗传代的初始染色体,重新进行染色体处理。
[0017]其中,较佳方案是:根据天线结构参数建立天线结构优化公式,该天线结构参数包 括芯片参数、天线限制参数和工艺参数。
[0018] 其中,较佳方案是:对随机产生的染色体均进行可行性验证。
[0019] 其中,较佳方案是:将每一遗传代的第一种群中最靠前的染色体单独保留。
[0020] 其中,较佳方案是:该目标函数为天线线圈的品质因子最大化。
[0021] 其中,较佳方案是:该目标函数为天线线圈的感应电压最大化。
[0022] 其中,较佳方案是,计算选择概率的方式是:
[0023] 计算评价函数,该评价函数的表达式为eval ( i ) = a( Ι-a )1,其中i = 0,1,
2,......,N,N为第一种群的染色体数,ae(〇,l);
[0024] 计算第一种群的每个染色体的选择概率,该选择概率的表达式为 其中&为第一种群的每个染色体的选择概率,i = 〇,l,2,......,N,N为第一种群的染色体 数。
[0025] 其中,较佳方案是,根据选择概率随机地选择若干染色体的方式是:
[0026] 在i = 1到i = N的重复过程中,分别从区域(0,Qi)中产生随机参考值R,其中N为第 一种群的染色体数;
[0027] 对于每个随机参考值R,若仏^<R < Qj,则选择第一种群中第j个染色体。
[0028] 其中,较佳方案是,交叉操作的方式是:
[0029] 设置交叉概率参数P。,从区域[1,N]中产生随机参考值R,其中N为第一种群的染色 体数;
[0030] 设置交叉值X和Y,若1? < Pc,则从区域[1,N ]中产生随机参考值Ri和此,及从区间(0, 1)中产生一个随机数C,使X_=CF^.__+:_(1-C)!^,F_=CF % +(1-C)FSi,并将χ、γ分别赋值给 和4,其中W"为第二种群的第i个染色体。
[0031] 其中,较佳方案是,变异操作的方式是:
[0032] 设置变异概率参数Pm,从区域[0,1]中产生随机参考值R;
[0033] 随机选择第二种群的染色体Vi,gR<Pm,随机产生一向量D和一个变异量M,使Vi" = Vi"+DM,其中Vi"为第二种群的第i个染色体,M>0。
[0034] 本发明的有益效果在于,与现有技术相比,本发明通过设计一种基于遗传算法的 天线结构设计方法,在天线结构优化公式的最优解区域中获得初始遗传代,不需要提供初 始值以及辅助信息,提高可行解的广泛性,并且减少计算量,提高结果的计算精度和稳定 性;同时,通过对染色体进行交叉操作和变异操作,在搜索过程中不容易陷入局部最优,提 高全局最优解的求解概率;并通过本天线结构设计方法,改变射频标签天线在设计与生产 方面的劣势,以及缩短天线的设计时间、提高设计效率、降低天线的成本、提高天线的性能, 使快速设计低成本和更容易设计出高性能的天线。
【附图说明】
[0035]下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明,附图中:
[0036]图1是技术射频识别系统的结构示意图;
[0037] 图2是本发明天线结构设计的方法框图;
[0038] 图3是本发明计算选择概率的方法框图;
[0039] 图4是本发明根据选择概率随机地选择若干染色体的方法框图;
[0040] 图5是本发明交叉操作的方法框图;
[0041 ]图6是本发明变异操作的方法框图;
[0042]图7是本发明矩形线圈的结构示意图;
[0043]图8是本发明圆形线圈的结构示意图。
【具体实施方式】
[0044]现结合附图,对本发明的较佳实施例作详细说明。
[0045]射频识别系统包括阅读器和应答器,其中应答器包括天线线圈和与天线线圈连接 的无源数据存储器,天线线圈产生的感应电压用于给无源数据存储器供电。为了显著提高 电路的工作效率,天线线圈的电感通常和无源数据存储器的电容组成并联振荡回路,其谐 振频率应于射频识别系统的工作频率相一致。故本射频识别系统中的相关参数具体包括:
[0046] 1、芯片参数,其包括芯片型号、芯片工作电压、芯片电容、芯片电阻和天线线圈的 电感L;
[0047] 2、天线限制参数,其包括天线线圈形状的选择和天线线圈尺寸的限制,参考图2和 图3,天线线圈形状主要包括一些规则形状的螺旋线圈,如矩形天线线圈和圆形线圈;天线 线圈尺寸的限制是指天线线圈最外圈的尺寸限制,优选的,a < 7
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