本发明涉及无线通信领域，具体而言，涉及一种微带天线设计方法。
背景技术：
帝国竞争算法是一种基于帝国主义殖民竞争机制的进化算法，帝国竞争算法和遗传算法，粒子群算法等受生物行为启发的群体智能算法不同，帝国竞争算法是受社会行为启发，通过摸拟殖民地同化机制和帝国竞争机制而形成的一种优化方法。微带天线是在一块厚度远小于工作波长的介质基片的一面敷以金属辐射片、一面全部敷以金属薄层作接地板而成；辐射片可以根据不同的要求设计成各种形状。微带天线具有质量轻、体积小和易于制造等优点。
目前，现有的设计方法是研究人员通过数值计算得到天线贴片的参数(天线参数)，再用软件进行仿真，然后通过手动微调天线参数的取值逐步使天线达到性能最优，这样手动去调天线参数的取值不仅工作量大，而且手动微调得到的天线参数对应的回波损耗比较小，同时手动微调不能保证天线的谐振频率达到所要求的中心频率附近，有时甚至与要求的中心频率有很大偏差，从而导致最后得到的天线参数并不是最优解。
针对上述现有技术中手动微调天线参数的取值导致的工作量大和无法获得使天线性能最优的天线参数问题，目前尚未提出有效的解决方案。
技术实现要素：
本发明实施例提供了一种微带天线设计方法，以至少解决由于手动微调天线参数的取值而造成的工作量大和无法获得使天线性能最优的天线参数的技术问题。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种微带天线设计方法，包括：获得天线贴片参数的理论值，其中，所述天线贴片参数包括天线贴片的长度、宽度和馈电位置；根据所述理论值确定天线贴片参数的优选值所在的预定范围；在所述预定范围中通过帝国竞争算法得到天线贴片参数的优选值，其中，所述优选值是使所述天线的输入阻抗与馈线特征阻抗相匹配的天线贴片参数值；根据所述天线贴片参数的优选值设计天线。
进一步地，获得天线贴片参数的理论值包括：根据天线的材质得到天线的介电常数、介质层高度和中心频率；通过所述介电常数、所述介质层高度和所述中心频率得到所述理论值。
进一步地，在所述范围中通过帝国竞争算法得到天线贴片参数的优选值包括：在所述预定范围中随机初始化多个天线贴片参数；根据适应度函数运用帝国竞争算法得到天线贴片参数的优选值，其中，适应度函数是作为帝国竞争算法中的衡量国家势力大小的代价函数，所述适应度函数是使天线的输入阻抗与馈线特征阻抗相匹配的函数。
进一步地，根据所述适应度函数运用帝国竞争算法得到所述天线贴片参数的优选值包括：根据所述适应度函数对所述天线贴片参数进行排序，其中，每个天线贴片参数有对应的适应度函数值；每次迭代时根据排序结果对多个天线贴片参数进行更新；在预定迭代次数完成后，将适应度值最小的天线贴片参数作为天线贴片参数的优选值。
进一步地，所述适应度函数是γ＝min|zin-50|，其中，γ是适应度函数值，zin是天线的输入阻抗。
进一步地，在所述范围中通过帝国竞争算法得到所述天线贴片参数的优选值之后包括：通过所述天线贴片参数的优选值进行微带天线的仿真。
根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种微带天线设计装置，包括：获取单元，用于获得天线贴片参数的理论值，其中，所述天线贴片参数包括天线贴片的长度、宽度和馈电位置；确定单元，用于根据所述理论值确定天线贴片参数的优选值所在的寻优范围；计算单元，用于在所述寻优范围中通过帝国竞争算法得到天线贴片参数的优选值，其中，所述优选值是使所述天线的输入阻抗与馈线特征阻抗相匹配的天线贴片参数值；处理单元，用于根据所述天线贴片参数的优选值设计天线。
在一个可选的实施方式中，获取单元包括：获取模块，根据天线的材质得到天线的介电常数、介质层高度和中心频率；第一计算模块，用于通过介电常数、介质层高度和中心频率得到理论值。
在一个可选的实施方式中，计算单元包括：初始模块，用于在寻优范围中随机初始化多个天线贴片参数；第二计算模块，用于根据适应度函数运用帝国竞争算法得到天线贴片参数的优选值，其中，适应度函数是作为帝国竞争算法中的衡量国家势力大小的代价函数，适应度函数是使天线的输入阻抗与特征阻抗相匹配的函数。
在一个可选的实施方式中，第二计算模块包括：排序子模块，用于根据适应度函数对天线贴片参数进行排序，其中，每个天线贴片参数有对应的适应度函数值；更新子模块，用于每次迭代时根据排序结果对多个天线贴片参数进行更新；计算子模块，用于在预定迭代次数完成后，将适应度值最小的天线贴片参数作为天线贴片参数的优选值。
在一个可选的实施方式中，装置还包括：仿真模块，用于通过天线贴片参数的优选值进行微带天线的仿真。
根据本发明实施例的另一个方面，还提供给了一种存储介质，所述存储介质上保存有程序，所述程序被运行时执行上所述的方法。
根据本发明实施例的另一个方面，还提供给了一种处理器，所述程序被运行时执行上述的方法。
在本发明实施例中，采用获得天线贴片参数的理论值，其中，天线贴片参数包括天线贴片的长度、宽度和馈电位置；根据理论值确定天线贴片参数的优选值所在的范围；在范围中通过帝国竞争算法得到天线贴片参数的优选值，其中，优选值是使天线的输入阻抗与馈线特征阻抗相匹配的天线贴片参数值；根据天线贴片参数的优选值设计天线的方式，解决了由于手动微调天线参数的取值而造成的工作量大和无法获得使天线性能最优的天线参数的技术问题，从而使获得的天线贴片的参数是最优解保证微带天线达到了良好的阻抗匹配性能，显著提高天线的阻抗带宽，天线的谐振频率很好地达到所要求的中心频率，同时节约了搜寻最优解的时间和成本。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明实施例的一种微带天线设计方法的示意图；
图2是根据本发明实施例的一种帝国竞争算法的流程图；
图3是根据本发明实施例的一种可选的帝国竞争算法总体流程图；
图4是根据本发明实施例帝国竞争算法的适应度函数值随迭代次数增加的变化图；
图5是根据本发明实施例微带天线设计的s11扫频分析结果；
图6是根据本发明实施例微带天线在xz和yz截面上的增益方向图；
图7是根据本发明实施例的微带天线的三维增益方向图；
图8是根据本发明实施例的一种微带天线设计装置的结构图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
根据本发明实施例，提供了一种微带天线设计方法实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
图1是根据本发明实施例的微带天线设计方法，如图1所示，该方法包括如下步骤：
步骤s102，获得天线贴片参数的理论值，其中，天线贴片参数包括天线贴片的长度、宽度和馈电位置；
步骤s104，根据理论值确定天线贴片参数的优选值所在的预定范围；预定范围是帝国竞争算法的寻优范围，该预定范围是包含优选值的一段取值范围，也可以选取优选值的上下浮动相同的数值作为预定范围。
步骤s106，在预定范围中通过帝国竞争算法得到天线贴片参数的优选值，其中，优选值是使天线的输入阻抗与馈线特征阻抗相匹配的天线贴片参数值；
步骤s108，根据天线贴片参数的优选值设计天线。
上述实施方案中的微带天线是毫米波同轴馈电天线，该毫米波同轴馈电天线馈电端口使用集总端口激励，端口平面设置为集总端口激励，并设置端口阻抗。
通过上述方法运用帝国竞争算法在搜索空间里天线贴片参数的优选值，直接设定优选值的搜索限制条件，使得获得天线贴片参数的优选值时刚好使天线的输入阻抗与特征阻抗相匹配，不必像现有技术中那样需要手动逐渐调节天线的参数观察天线性能来选择天线参数，而本实施例利用帝国竞争算法以阻抗匹配为目标，对天线贴片参数自动寻优，解决了手动微调天线参数的取值导致的工作量大和无法获得使天线性能最优的天线参数问题，从而使获得的天线贴片的参数是最优解保证微带天线达到了良好的阻抗匹配性能，天线的谐振频率很好地达到所要求的中心频率，显著提高天线的阻抗带宽，同时节约了搜寻最优解的时间和成本。
为了设置合理的寻优范围，需要获得天线贴片参数的理论值，在一个可选的实施方式中，可以是根据天线的材质得到天线的介电常数、介质层高度和中心频率；再通过介电常数、介质层高度和中心频率得到理论值。
下面根据一个可选的实施例对获得天线贴片参数的理论值进行说明：
微带贴片的宽度公式是：
考虑到边缘缩短效应，微带贴片的长度公式是：
馈电点的位置公式是：
p表示馈电位置，l表示贴片长度，w表示贴片宽度，εe表示有效介电常数,δl表示天线的有效长度与实际长度之间的一半差值，εr是所选介质的相对介电常数，h是介质高度。
在范围中通过帝国竞争算法得到天线贴片参数的优选值的核心是通过设置适应度函数来使阻抗匹配，在一个可选的实施方式中，首先，在范围中随机初始化多个天线贴片参数；然后根据适应度函数运用帝国竞争算法得到天线贴片参数的优选值，其中，适应度函数是作为帝国竞争算法中的衡量国家势力大小的代价函数，适应度函数是使天线的输入阻抗与馈线特征阻抗相匹配的函数。
在帝国竞争算法中，搜索空间(优选值所在的范围)中每个国家都有三个参数(长、宽及馈电位置)，通过适应度函数来衡量每个国家势力的大小，在算法迭代完成之后会得到阻抗匹配(适应度函数值等于0)的那个国家，那个国家所含的三个参数(长、宽及馈电位置)就是整个过程所要得到的天线贴片参数的最优解(优选值)，运用这三个天线贴片参数进行天线设计就保证天线阻抗匹配，谐振频率与设置的中心频率一致。
帝国竞争算法具有简单、准确、省时等优点，是一种十分有效率且易于使用的优化算法，通过上述步骤在采用同轴馈电时，使用帝国竞争算法，当适应度函数经一定迭代次数趋于0之后，谐振频率可以与中心频率一致，传统方法的谐振频率往往达不到中心频率，本发明实施例的方法搜索到的天线贴片参数的优选值更加准确，并且搜索过程节省内存，寻优时间短，能够非常迅速地在搜索空间里收敛到最优解(天线贴片参数的优选值)。
上述步骤中根据适应度函数运用帝国竞争算法得到天线贴片参数的优选值，在一个可选的实施方式中，可以首先根据适应度函数对天线贴片参数进行排序，其中，每个天线贴片参数有对应的适应度函数值；然后在每次迭代时根据排序结果对多个天线贴片参数进行更新；再在预定迭代次数完成后，将适应度值最小的天线贴片参数作为天线贴片参数的优选值。
帝国竞争算法中将最弱的国家向最强的帝国移动是算法中每次迭代的一个过程，而每次迭代输出的最优值是每次迭代的结果，在本发明实施例中该迭代的一个过程相当于根据适应度函数对多个天线贴片参数进行更新，每次迭代结束时当前代适应度函数值最小的国家就是截止到当前代为止的最优解，最优解就是当前天线贴片参数的优选值，当所有的迭代次数完成以后适应度函数值最小的国家就是所要的最优解，该国家就是天线贴片参数的最终的优选值，在所有迭代次数完成以后适应度函数值趋于零。
下面结合一个可选的实施例对上面过程进行说明：
如图2所示，假设优化问题的每一个解都是搜索空间中的一个国家，国家的势力大小通过代价函数来衡量，在本发明实施例中代价函数可以为|zin-50|，其中zin为天线的输入阻抗。首先，随机产生npop个国家，从中选出势力较大的前nimp个分别作为nimp个帝国的统治者，剩下的作为殖民地。然后根据统治者的势力大小分配殖民地创建初始帝国；之后是殖民地的同化和改革：通过将所有殖民地向其所属统治者移动来模拟同化过程；同时为了避免陷入局部最优，每次迭代选取一定数目的随机殖民地进行改革操作。当一个殖民地国家移动到一个新的位置后，殖民地的代价函数值可能比其统治者小。此时，交换殖民地和其对应统治者的位置。之后是帝国之间的竞争：首先，需要计算每个帝国的总代价函数值，总的代价函数值＝统治者的适应度函数值+ζ*帝国中所有殖民地适应度函数的平均值；然后选择最弱帝国中最弱的殖民地作为竞争的对象，势力越大的帝国越有可能占有该殖民地。帝国灭亡：当一个帝国丢失所有的殖民地时，帝国覆灭。随着帝国的灭亡，最终剩下一个帝国，此时算法终止。
下面结合另一个可选的实施例举例对上述所有步骤进行说明：
(1)定义每个国家具有三个尺寸：长度l、宽度w与馈电位置p。
(2)限定l，w，p三者的最大取值和最小取值。
(3)初始化，在解空间中将所有国家参数初始化为随机分布。
(4)对每个国家的适应度值进行计算，对适应度值进行排序并产生初始的帝国。
(5)对每个帝国中殖民地的位置进行更新，即对殖民地进行同化和改革操作。
(6)进行相似帝国之间的合并操作，将总代价函数值差不多的帝国进行合并。
(7)进行帝国之间的竞争操作。
(8)对迭代次数和所剩的帝国个数进行观察，如果达到设定的迭代次数或者帝国的个数等于一则结束算法，并返回最优值(天线贴片参数的优选值)。
通过帝国竞争算法衡量国家势力的大小，求解迭代在达到阻抗匹配时的最优解(国家)，而设定的适应度函数经过迭代使得谐振频率达到中心频率附近，准确率更高。
在一个可选的实施方式中，适应度函数是γ＝min|zin-50|，其中，γ是适应度函数值，zin是天线的输入阻抗，天线的输入阻抗可以根据如下公式进行计算：
其中，y1中p表示馈电位置，l表示贴片长度，β与z0分别表示把天线视作传输线时的传播常数和特性阻抗；yw中w表示贴片宽度，λ表示波长，εe表示有效介电常数,δl表示天线的有效长度与实际长度之间的一半差值；xl中k表示自由空间的相位常数，εr是所选介质的相对介电常数，h是介质高度，k是自由空间的相位常数，y0表示特性导纳，y0是z0的倒数。
上述适应度函数是天线的输入阻抗与50ω同轴线的特征阻抗相匹配，而天线的输入阻抗主要与贴片的长、宽和馈电位置有关，所以只要设置合理的贴片长、宽和馈电位置的寻优范围，当算法的适应度函数经过迭代达到0时就说明天线的输入阻抗与同轴线的特征阻抗相匹配。最常用的同轴线特征阻抗是50ω，所以可以选取50ω的同轴线特征阻抗，然后优化天线的参数使天线的输入阻抗与50ω匹配。
通过上述步骤中的适应度函数，相较于现有技术中繁琐的数值计算以及参数微调，本发明实施例节约时间，且由于本发明实施例以微带天线为例，可以得出良好的天线性能，使得所设计的天线谐振频率与中心频率一致，同时达到预期天线增益目标。
在范围中通过帝国竞争算法得到天线贴片参数的优选值之后利用天线贴片参数的优选值进行微带天线的仿真，在一个可选的实施方式中，可以使用hfss软件进行仿真。例如，如图3所示，将预先设定好的h、εr、freq作为算法的输入，设计适应度函数，通过微带天线模型结合帝国竞争算法，反复迭代，最后当迭代一定次数之后适应度函数值趋于0时达到阻抗匹配，输出贴片最优长度l、宽度w与馈电位置p，将这三个天线结构参数通过hfss15.0软件进行仿真检验天线的性能，查看天线是否达到预期目标，如果没有达到预期目标则重新使用帝国竞争算法进行迭代直到寻找到符合预期目标的优选值为止。再比如可以根据天线贴片参数的优选值设计天线可以通过matlab软件的优化实现。输入天线材质的介电常数、介质层的高度及中心频率分别为εr、h、freq，然后设定迭代次数n并初始化总的国家个数npop、帝国个数nimp以及每个国家所含有的参数，输入长、宽及馈电位置的取值范围，再在寻优范围中随机初始化每个国家的长、宽及馈电位置；帝国竞争算法开始迭代后，输出每次迭代的最优解也就是每次迭代后最小的适应度函数值，将输出的最小的适应度函数值进行绘图(如图4所示)；算法结束输出的最优长宽及馈电位置进行hfss仿真，输出扫频结果(如图5所示)。
下面结合一个可选的实施例对上述hfss仿真进行具体说明：
(1)先创建介质基片，该介质基片用一个长方体模型来表示，模型的底面位于xoy平面，中心位于坐标原点。
(2)创建辐射贴片，该辐射贴片位于介质基片上表面，接着创建参考地，它位于介质基片的底面。
(3)创建一个圆柱体作为同轴馈电的内芯，接着创建圆面，该圆面位于xoy，与参考地之间作相减操作。
(4)设置边界条件和端口激励：首先将辐射贴片与参考地设置为理想边界，然后创建一个长方体模型，将长方体的表面设置为辐射边界，之后将端口平面设置为集总端口激励，并设置端口阻抗。
(5)扫频设置：选择快速扫频类型，然后查看天线在所选频段的s11参数性能，s11参数就是反射系数，它与天线的输入阻抗与同轴线的特征阻抗有关，可以反映出天线的阻抗匹配程度。如图5所示。可以看出天线已经达到良好的阻抗匹配状态。
(6)查看天线在xz和yz截面上的增益方向图和三维增益方向图，分别如图6和图7所示。
通过上述步骤中当适应度函数值趋于0时，输出最优的天线贴片参数(l，w，p)，再根据最优的天线贴片参数在hfss软件中进行微带天线仿真。由于该天线贴片参数比较精确，所以本发明实施例可以节约设计成本，简化设计流程。
本发明实施例还提供了一种微带天线设计装置，该装置可以通过获取单元82、确定单元84、计算单元86、处理单元88实现其功能。需要说明的是，本发明实施例的一种微带天线设计装置可以用于执行本发明实施例所提供的一种微带天线设计方法，本发明实施例的一种微带天线设计方法也可以通过本发明实施例所提供的一种微带天线设计装置来执行。图8是根据本发明实施例的一种微带天线设计装置的示意图。如图8所示，图8是根据本发明实施例的一种微带天线设计装置的结构图。一种微带天线设计装置包括：获取单元82，用于获得天线贴片参数的理论值，其中，天线贴片参数包括天线贴片的长度、宽度和馈电位置；确定单元84，用于根据理论值确定天线贴片参数的优选值所在的寻优范围；计算单元86，用于在寻优范围中通过帝国竞争算法得到天线贴片参数的优选值，其中，优选值是使天线的输入阻抗与特征阻抗相匹配的天线贴片参数值；处理单元88，用于根据天线贴片参数的优选值设计天线。
在一个可选的实施方式中，获取单元包括：获取模块，根据天线的材质得到天线的介电常数、介质层高度和中心频率；第一计算模块，用于通过介电常数、介质层高度和中心频率得到理论值。
在一个可选的实施方式中，计算单元包括：初始模块，用于在寻优范围中随机初始化多个天线贴片参数；第二计算模块，用于根据适应度函数运用帝国竞争算法得到天线贴片参数的优选值，其中，适应度函数是作为帝国竞争算法中的衡量国家势力大小的代价函数，适应度函数是使天线的输入阻抗与特征阻抗相匹配的函数。
在一个可选的实施方式中，第二计算模块包括：排序子模块，用于根据适应度函数对天线贴片参数进行排序，其中，每个天线贴片参数有对应的适应度函数值；更新子模块，用于每次迭代时根据排序结果对多个天线贴片参数进行更新；计算子模块，用于在预定迭代次数完成后，将适应度值最小的天线贴片参数作为天线贴片参数的优选值。
在一个可选的实施方式中，装置还包括：仿真模块，用于通过天线贴片参数的优选值进行微带天线的仿真。
上述一种微带天线设计装置实施例是与一种微带天线设计方法相对应的，所以对于有益效果不再赘述。
本发明实施例提供了一种存储介质，存储介质包括存储的程序，其中，在程序运行时控制存储介质所在设备执行上述方法。
本发明实施例提供了一种处理器，处理器包括处理的程序，其中，在程序运行时控制处理器所在设备执行上述方法。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。