Fragment型多频带天线结构设计方法与流程

本发明具体涉及一种fragment型多频带天线结构设计方法。
背景技术：
：随着无线电通信技术的快速发展，无线通信设备的小型化、智能化和多功能一体化设计逐渐引起人们的重视。天线作为无线通信设备的重要组成部分，实现了导行波与自由空间波之间的能量转换，为电磁波的辐射和接收提供了保障，天线性能的好坏对整个无线系统的性能由很大的影响。现代无线通信系统的发展不仅要求天线具有重量轻、成本低、易于制造和易于集成等特点，还对天线的小型化、宽频带、多频带、共形和一体化设计提出了前所未有的要求。fragment型天线结构设计不同于天线参数设计，给定一个天线的初始形状设计连续的参数变量，而只需给定一设计区域，离散化后映射为二进制0/1编码，通过设计不同的编码组合，找到一个合适的满足天线设计需求的天线结构。fragment型天线结构设计结果往往出人意料，避免了设计师受到传统天线设计思维的影响和限制，有益于设计出有创意的天线形状，而且fragment型天线结构设计尤其适合于无线和便携式通信产品的内置天线设计，由于此类天线通常被限制在某一给定空间。因此，fragment型天线结构设计在实际应用中具有巨大设计潜力，且可有效缩短设计周期，同时利用合适的智能算法意味着更低的开发成本。然而，基于传统的二进制算法的fragment型天线结构设计普遍存在巨大计算成本且设计变量维度较高的问题。因此，目前并没有一种简单高效的fragment型天线结构的设计方法。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种适用于高维离散型fragment型多频带天线结构、而且简单高效的fragment型多频带天线结构设计方法。本发明提供的这种fragment型多频带天线结构设计方法，包括如下步骤：s1.构建天线初始模型，同时确定设计区域；s2.根据天线设计需求构造天线设计的目标函数；s3.将设计区域离散为若干个子设计区域；s4.构造若干组不同的fragment型多频带天线设计区域的结构，并获取其对应的编码；s5.获取步骤s4构造的各个天线编码对应的天线的响应值，求取各个天线对应的目标函数值，从而得到所有个体的全部当前最优编码；s6.对步骤s5计算得到的目标函数值进行判断，从而得到符合设计要求的fragment型多频带天线结构。步骤s2所述的目标函数为天线的各个性能指标，包括天线回波损耗值、增益或驻波比等。步骤s4所述的构造若干组不同的fragment型多频带天线设计区域的结构，具体为结合先验知识及天线结构对称性构造若干组不同的fragment型多频带天线设计区域的结构。所述的构造若干组不同的fragment型多频带天线设计区域的结构，具体为采用如下步骤构造结构：a.根据切槽公式计算设计区域内切槽长度l；b.在设计区域内随机初始化开槽起点，并记录起点位置为a1；c.以位置ai-1为中心，在给定设计区域内随机选取与位置ai-1相邻的区域，记录位置为ai，i＝1,2,...,l；d.检验步骤c选取的记录位置是否与之前已经选取的位置重叠：若重叠则重新生成位置ai，若不重叠则重复步骤c和d继续生成后续位置，直至l个位置全部生成；e.将以生成的(a1...ai...al)根据对称轴翻转生成对称区域内的开槽位置；f.重复步骤步骤b～e，初始化生成若干组不同的fragment型多频带天线设计区域的编码。步骤a所述的根据切槽公式计算设计区域内切槽长度l，具体为采用如下规则计算切槽长度l：情形1：适用于槽线特征为两端短路的情况构造半波长谐振器，且切槽的有效长度其中c为光的自由空间速度，f0为谐振频率，εe为介质基板的介电常数且εr为相对常数，p为常数且取值范围为[0,5]；情形2：适用于槽线特征为一端开路、另一端短路的情况构造四分之一波长谐振器，且切槽的有效长度其中c为光的自由空间速度，f0为谐振频率，εe为介质基板的介电常数且εr为相对常数，p为常数且取值范围为[0,5]。步骤s5所述的获取步骤s4构造的各个天线编码对应的天线的响应值，具体为采用电磁仿真工具对各个天线编码对应的天线进行仿真，从而获得各个天线编码对应的天线的响应值。步骤s5所述的得到所有个体的全部当前最优编码，具体为得到所有个体中目标函数最优时所对应的个体编码。步骤s6所述的对步骤s5计算得到的目标函数值进行判断，具体为采用如下规则进行判断：若目标函数值符合天线设计要求，则目标函数值对应的个体编码所对应的fragment型多频带天线即为最终的结构；若目标函数值不符合天线设计要求，则重复步骤s4～s6，直至目标函数值符合天线设计要求或者重复的次数达到事先设定的次数。本发明提供的这种fragment型多频带天线结构设计方法，将其给定设计区域离散为许多小的设计区域，利用传统天线设计过程中的先验知识和设计区域的对称性来初始化fragment型天线设计区域的形状，实现多频带天线结构与目标频段近似对应，并将设计区域内无填充的小区域位置记录为一串编码，有效缩减离散参数天线结构设计的高维参数空间，避免随机初始天线设计区域形状引起搜索维度过大的问题，以加快寻找最优天线结构的速度。因此，本发明方法在解决fragment型天线结构设计问题时，可显著改善fragment型天线结构设计问题的求解效率，尤其是高维天线设计问题并获得性能更优的天线结构。附图说明图1为本发明方法的方法流程图。图2为本发明方法的实施例天线结构模型及其设计区域离散化的示意图。图3为本发明方法的实施例天线设计区域设计结果示意图。图4为本发明方法的实施例设计结果的回波损耗示意图。图5为本发明方法的实施例与现有的基于二进制粒子群算法的fragment型天线结构设计方法的算法效率收敛曲线比较示意图。具体实施方式如图1所示为本发明方法的方法流程图：本发明提供的这种fragment型多频带天线结构设计方法，包括如下步骤：s1.构建天线初始模型，同时确定设计区域；s2.根据天线设计需求构造天线设计的目标函数；在具体实施时，目标函数为天线的各个性能指标，包括天线回波损耗值、增益或驻波比等。s3.将设计区域离散为若干个子设计区域；s4.结合先验知识及天线结构对称性，构造若干组不同的fragment型多频带天线设计区域的结构，并获取其对应的编码；具体为采用如下步骤构造结构：a.根据切槽公式计算设计区域内切槽长度l；具体为采用如下规则计算切槽长度l：情形1：适用于槽线特征为两端短路的情况构造半波长谐振器，且切槽的有效长度其中c为光的自由空间速度，f0为谐振频率，εe为介质基板的介电常数且εr为相对常数，p为正整数且取值范围为[0,5]；情形2：适用于槽线特征为一端开路、另一端短路的情况构造四分之一波长谐振器，且切槽的有效长度其中c为光的自由空间速度，f0为谐振频率，εe为介质基板的介电常数且εr为相对常数，p为常数且取值范围为[0,5]；b.在设计区域内随机初始化开槽起点，并记录起点位置为a1；c.以位置ai-1为中心，在给定设计区域内随机选取与位置ai-1相邻的区域，记录位置为ai，i＝2,3,...,l；d.检验步骤c选取的记录位置是否与之前已经选取的位置重叠：若重叠则重新生成位置ai，若不重叠则重复步骤c和d继续生成后续位置，直至l个位置全部生成；e.将以生成的(a1...ai...al)根据对称轴翻转生成对称区域内的开槽位置；f.重复步骤步骤b～e，初始化生成若干组不同的fragment型多频带天线设计区域的编码；s5.采用电磁仿真工具对步骤s4得到的各个天线编码对应的天线进行仿真，从而获得各个天线编码对应的天线的响应值，求取各个天线对应的目标函数值，从而得到所有个体的全部当前最优编码；s6.对步骤s5计算得到的目标函数值进行判断，从而得到符合设计要求的fragment型多频带天线结构；在具体实施时，具体为采用如下规则进行判断：若目标函数值符合天线设计要求，则目标函数值对应的个体编码所对应的fragment型多频带天线即为最终的结构；若目标函数值不符合天线设计要求，则重复步骤s4～s6，直至目标函数值符合天线设计要求或者重复的次数达到事先设定的次数。以下，结合一个具体实施例对本发明方法进行进一步说明：天线建模：天线建模即构造初始天线模型如图2所示，天线介质板采用fr-4材料，介电常数为4.4，大小为20mm×30mm，厚度为1.6mm。地板位于介质板的下方，大小为20mm×12mm，采用50欧姆微带线进行馈电，其宽度为2.8mm，长度为18mm。贴片采用大小为12mm×12mm的正方形金属贴片。选取地板和金属辐射贴片作为天线的设计区域；目标函数：天线设计需求拟覆盖wi-fi频段，即2.4和5.5ghz，构造fragment型天线结构设计的目标函数如下：式中q(fi)为频率fi处适应度评估值；s11(fi)为频率fi处的回波损耗，fi为在2.35～2.75ghz和5.20～5.80ghz频段内第i个采样点的频率，n是两个频段内的采样点个数；分别将地板与金属贴片设计区域离散为10×12和12×12的子设计区域，其中地板设计区域包含对称子区域；结合先验知识及天线结构对称性，构造10组不同的fragment型天线设计区域的结构；根据公式计算设计区域内开槽长度分别是l1≈18+p，l2≈9+p，分别近似对应2.4ghz和5.5ghz，其中p为0～5之间的正整数；由于地板区域是对称结构，故只生成左边地板设计区域的编码，右边地板设计区域的编码根据对称性原则生成；编码设计区域优化：在设计区域内随机初始化开槽起点，并记录起点位置为a1；以ai-1为中心，在给定设计区域内随机选取与ai-1相邻的小区域，记录位置为ai；判断ai是否与之前已经选定的区域重合；如重合，则重新生成ai，否则生成ai-1；b＝[b1,b2,...,bl2]的生成方式与a＝[a1,a2,...,al1/2]相同；生成对称天线设计区域的优化变量编码c＝[c1,c2,...,cl1/2]；重复上述步骤，初始化生成10组fragment型天线设计区域编码；调用电磁仿真工具获取天线编码的响应值，利用其响应值求解目标函数，获得所有个体的全局当前最优编码；对计算得到的目标函数值进行判断：若目标函数值符合天线设计要求，则目标函数值对应的个体编码所对应的fragment型多频带天线即为最终的结构；若目标函数值不符合天线设计要求，则重复上述步骤，直至目标函数值符合天线设计要求或者重复的次数达到事先设定的次数(20次)。应用本发明所述方法获得的贴片形状和其回波损耗图分别如图3和4所示，天线在2.35～3.4ghz和5.05～5.85ghz两个频段内的回波损耗值均小于-10db，满足天线设计性能需求。此外分别利用基于先验知识的fragment型天线结构设计方法与基于二进制粒子群算法的fragment型天线结构设计方法(j.dong,q.liandl.deng.designoffragment-typeantennastructureusinganimprovedbpso.ieeetransactionsonantennasandpropagation,2018,66(2):564-571.)进行fragment型天线结构设计，比较其设计结果，其计算代价比较列于表1，收敛曲线如图5所示。表12种天线设计方法的计算代价比较示意表设计方法仿真次数总耗时/s基于二进制粒子群20014318.26基于先验知识634180.67相较于基于二进制粒子群算法的fragment型天线结构设计方法，本发明提出的基于先验知识的fragment型天线结构设计方法能够以较快的收敛速度找到满足设计需求的天线结构。当前第1页12