一种基于二进制粒子群算法的Fragment型天线结构设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于二进制粒子群算法的Fragment型天线结构设计方法，在Fragment型天线结构设计时，将其给定设计区域映射为一串二进制0/1编码，即离散为许多小的设计区域，“0”和“1”分别表示小区域无和有填充，不同的0/1编码组合代表不同的天线设计区域形状，通过引入正交阵列初始化Fragment型天线设计区域的初始形状，增加初始天线设计的多样性及其在设计区域的分布多样性，然后改进转换函数以加快寻找最优天线结构的速度。本发明提出的方法在解决Fragment型天线结构设计问题时，兼顾天线设计的多样性和设计速度，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。
【专利说明】
-种基于二进制粒子群算法的Fragment型天线结构设计方法
技术领域
[0001] 本发明属于天线设计领域，设及一种基于二进制粒子群算法的Fragment型天线结 构设计方法。
【背景技术】
[0002] 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，为电磁波的福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。
[0003] 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，化agment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。二进制粒子群算法（BPSO)(参考文献：J.Kennedy ,R.C.Eberhart .A discrete binary version of the particle swarm optimization.IEEE International Conference on Systems,1997,5(5) :4104-4108)是非常受欢迎的适用于离散变量的智能 算法，但是由于化agment型天线结构设计的巨大计算成本且问题维度较高，BPSO的设计效 果不是很理想，且目前尚缺乏关于此类问题的研究文献。
【发明内容】
[0004] 本发明提出一种基于二进制粒子群算法(BPSO)的Fragment型天线结构设计方法， 实现了高维离散的化agment型天线设计问题的高效求解。
[0005] 本发明的技术方案如下：
[0006] -种基于二进制粒子群算法的Fragment型天线结构设计方法，包括W下步骤：
[0007] 步骤1:依据天线设计需求构建天线初始模型，确定设计区域；
[000引步骤2:依据天线设计需求构造天线设计目标的目标函数F;
[0009] 步骤3:将设计区域离散为m个子设计区域；
[0010] 步骤4:采用正交阵列初始化N组不同的天线设计区域的结构，即将m个子设计区域 映射为长度为m的N组不同的二进制编码xi，xi，. . .，XN;
[0011] 引入正交阵列对天线设计区域进行初始化设置；
[0012] 每组编码长度为m，对应m个子设计区域，构成整个设计区域的编码；
[0013] 在常规设计中为了保持天线结构的多样性设计，均采用随机赋值，而通过正交阵 列赋值，不仅保证了天线结构的多样性，而且初始化的天线结构在设计空间分布比较均匀， 多样性更好，有利于全面捜索，快速找到最优天线设计；
[0014] 步骤5:随机给N组二进制编码中每个元素分配一个初始速度V1，V2, ...，VN，初始速 度向量，包含m个速度，W -组编码作为一个个体，腺且编码作为一个群体；
[0015] 步骤6:调用电磁仿真工具分别获取N组天线编码的响应值，利用其响应值求解目 标函数，获得每个个体当前最优编码为Pbest、所有N个个体的全局当前最优编码为Gbest;
[0016] 每个个体当前最优编码是指一个个体经过迭代后，该个体当前的最优目标函数对 应的个体编码；
[0017] 所有N个个体的全局当前最优编码是指所有个体经过迭代后，所有个体中当前的 最优目标函数对应的个体编码；
[0018] 步骤7:判断步骤6求解获得的目标函数值是否满足天线设计需求，若满足，则进入 步骤8,否则，基于二进制粒子群更新操作更新N组二进制串编码每个元素的速度并生成新 的N组编码，返回步骤6,直到获得符合设计要求的编码或者达到二进制粒子群更新操作的 最大迭代次数；
[0019] 步骤8:结束Fragment型天线结构设计。
[0020] 所述利用正交阵列初始化腺且不同的天线设计区域的结构，具体过程如下：
[0021] 每组天线设计区域的结构长度均为m:
[0022] 1)将应用于天线结构设计区域初始化的正交阵列定义为0A(N，m，2)即一个大小为 [Xij]Nxm的矩阵，其中Xi,功正交阵列的元素，N代表N组编码，m代表编码长度为m，2代表编码 元素为0或1。
[0023] 该正交阵列OA的特点为:OA的任意列被移除，剩下的的矩阵仍为OA;对于OA任意的 NX2子阵列，其0和1任意组合出现的次数相等。OA的运两个特点保证了初始化天线结构的 多样性和其在天线设计区域的分布均匀性。
[0024] 2)构造正交阵列OA:
[00剧情形一:若N = 2L，其中L为正整数且满足m = 2L-l，则依据如下步骤构造正交阵列OA (N,m,2)：
[0026] A)对于基本列xj，其中 j = l，2,4, . . .，2L-1，贝IJ
[0027] 从1 = 1到L，进行如下循环
[002引 J = 21-1 (1)
[0029] 则正交阵列^列的元素分别为
[0030]
(2)
[0031 ] B)对于除基本列之外的非基本列，贝U
[0032] 从1 = 2到L，进行如下循环
[0033] j = 2i-i (3)
[0034] 则正交阵列非基本列巧r的元素为
[0035] xj+r=(xj+Xr)mod2r=l,2, . . . , j-1 (4)
[0036] 情形二:若不存在上述正整数L满足N=2L，则取L为满足式巧）的最小正整数
[0037] 2^-1 (5)
[0038] 然后令n/ =2L-1，按照情形一的方法构造正交阵列〇A(N，n/，2)，然后删除最后的 m'-m列，获得正交阵列0A(N，m，2)。
[0039] 3)将正交阵列的每一行作为一个天线结构设计的个体，初始化天线设计区域结 构。
[0040] 所述基于二进制粒子群更新操作，获得符合设计要求的编码的具体过程如下：
[0041 ]对于N组天线设计参数变量依次进行如下操作：i = 1;
[0042] 1)依据如下公式更新第i组编码的速度
[0043] Vi(t) = O Vi(t-l)+Cl；ri(Pbest-Xi(t-l) )+C 化 2(Gbest-Xi(t-l))其中，t为迭代次 数，Vi(t)和Vi(t-l)分别为第i组编码第t次和t-1次迭代的速度，Xi(t-l)为第i组编码第t-1 次迭代的二进审IjOA编码，《为惯性权重，C谢C2为学习因子，ri和K是[(U]之间的随机数；
[0044] 2)依据如下公式更新第i组编码：
[0045]
[0046]
[0047]
[0048] 其中，kmax=2和kmin=l分别是转换因子的最大和最小值，k(t)为第t次迭代的转换 因子，S(ViU))为第t次迭代的转换函数，Xi(t)为第t次迭代的二进制0/1编码。
[0049] k(t)为改进的转换因子，本方案中采用的转换因子与迭代次数相结合，实现动态 更新，加快了寻找最优天线结构的速度。
[0050] 所述基于二进制粒子群更新操作中惯性权重CO，学习因子Cl和C2依次设置为《 = 1 ,Cl 二 C2 二 2d
[0化1]有益效果
[0052] 本发明公开了一种基于二进制粒子群算法的Fragment型天线结构设计方法，将其 给定设计区域映射为一串二进制0/1编码，即离散为许多小的设计区域，"0"和"r分别表示 小区域无和有填充，不同的0/1编码组合代表不同的天线设计区域形状，天线离散变量维数 较高即二进制0/1编码长度较长，通过引入正交阵列初始化Fragment型天线设计区域的初 始形状，增加初始天线设计的多样性，然后改进转换函数加快寻找最优天线结构的速度。本 发明提出的方法在解决Fragment型天线结构设计问题时，兼顾天线设计的多样性和设计速 度，显著改善化agment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。
【附图说明】
[0053] 图1为改进的基于二进制粒子群算法的Fragment型天线结构设计问题流程图；
[0054] 图2为Fragment型天线结构模型及其设计区域离散化；
[0055] 图3为离散化天线设计区域映射为二进制0/1编码的实例；
[0056] 图4为天线设计区域设计结果及其回波损耗图；
[0化7]图5为改进的BPS0、LBPS0和ABPSOS种算法的收敛曲线比较图。
【具体实施方式】
[0058]下面将结合实施例对本发明做进一步的说明。
[0化9]实施例1:
[0060] 通过一个Fragment型天线结构设计平面多频段天线来说明本发明的有效性。一种 基于二进制粒子群算法的化agment型天线结构设计方法，如图1所示，包括W下步骤：
[0061] 步骤1:天线建模；
[0062] 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 X 37mm，厚度为0.5mm。两块地板位于介质板的下方，大小为IOmm X 20mm，义 用50欧姆微带线进行馈电，其宽度为1.5mm，长度为14mm。贴片采用大小为16mmX 20mm的矩 形金属贴片，也是天线的设计区域。
[0063] 步骤2:根据天线设计需求在2.15~2.75細Z，3.33~4.15細Z ,and 5.00~6.25細Z S个频段内回波损耗小于-10地，构造化agment型天线结构设计的目标函数如下：
[0064]
[00 化]
[0066] 其中，fi是在2.15~2.75細Z，3.33~4.15細Z，and 5.00~6.25GHzS个频段内第i 个采样点的频率，n是=个频段内的采样点个数，Sii(fi)是频率fi处的回波损耗。
[0067] 步骤3:离散化设计区域为8X10的矩形小贴片并进行二进制0/1编码，图3给出一 个设计区域离散和编码的实例；
[0068] 步骤4:利用正交阵列初始化84组不同的天线设计区域的结构，即将80个小设计区 域映射为长度为80的84组不同的二进制0/1编码xi，xi，...，X84;
[0069] 其中，对于84组长度为80的正交阵列构造如下：
[0070] 1)将应用于天线结构设计区域初始化的正交阵列定义为0A(84,80,2)即一个大小 为[Xij]84x8〇的矩阵，其中XiJ为正交阵列的元素，84代表84组编码，80代表编码长度为80,2 代表编码元素为0和1。该正交阵列OA的特点为:OA的任意列被移除，剩下的的矩阵仍为0A。
[0071] 2)构造正交阵列OA:
[0072] 取L = 7,依据如下步骤构造正交阵列0A(84，127,2):
[0073] A)对于基本列xj，其中 j = l，2,4, . . .，2L-1，贝IJ
[0074] 从1 = 1到L，进行如下循环
[0075] J = 21-1 (1)
[0076] 则正交阵列^列的元素分别为
[0077]
(2)
[0078] B)对于除基本列之外的非基本列，贝U [00巧]从1 = 2到L，进行如下循环
[0080] J = 21-1 (3)
[0081 ]则正交阵列非基本列Xj+r的元素为
[0082] xj+r=(xj+Xr)mod2r=l,2, . . . , j-1 (4)
[0083] 然后删除最后的47列，获得正交阵列0A(84,80,2)。
[0084] 3)将正交阵列的每一行作为一个天线结构设计的个体，初始化天线设计区域结 构。
[0085] 步骤5:随机给84组二进制串编码每一个元素0或1分配一个初始速度vi，V2, ...， V84，每一个速度值大小限制为(0，6 );
[0086] 步骤6:调用电磁仿真工具分别获取84组天线编码的响应值，利用其响应值求解目 标函数，获得每一组编码的个体当前最优设计为Pbest、所有N组编码的全局当前最优设计为 Gbest ；
[0087] 步骤7:判断步骤6求解获得的目标函数值是否满足天线设计需求，若满足，则进入 步骤9，否则，进入步骤8，执行完成后返回步骤6，直到获得符合设计要求的编码或者达到二 进制粒子群更新操作的最大迭代次数；
[0088] 步骤8:基于二进制粒子群更新操作更新84组二进制串编码每一个元素0或1的速 度并生成新的84组编码，对84组天线设计参数变量依次进行如下操作，i = 1;
[0089] 1)依据如下公式更新第i组编码的速度
[0090] Vi(t)= O Vi(t-l)+Cl；ri(Pbest-Xi(t-l))+C化2(Gbest-Xi(t-l))
[0091] 其中，t = 50，Vi(t)和Vi(t-l)分别为第i组编码第t次和t-1次迭代的速度，Xi(t-l) 为第i组编码第t-1次迭代的二进制0/1编码，《 = 1，ci = C2 = 2,ri和r2是[0,1 ]之间的随机 数。
[0092] 2)依据如下公式更新第i组编码
[0093]
[0094]
[0095]
[0096] 其中，kmax=2和kmin=l分别是转换因子的最大和最小值，k(t)为第t次迭代的转换 因子，S(ViU))为第t次迭代的转换函数，Xi(t)为第t次迭代的二进制0/1编码。
[0097] 步骤9:结束Fragment型天线结构设计。
[0098] 应用本发明所述方法获得的贴片形状和其回波损耗图如图4所示，天线在2.15~ 2.75GHz，3.33~4.15細Z，and 5.00~6.25GHzS个频段内的回波损耗值均小于-10地，满足 天线设计性能需求。
[0099] 此外分别利用LBPS0(S. Lee , S. Soak, S. Oh, et al .Modif ied binary particle swarm optimization. Progress in Natural Science ,2008,18(9): 1161-1166.)、ABPS0 (A.Modiri,K.Kiasaleh.Modification of Real-Number and Binary PSO Algorithms for Accelerated Convergence. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2011,59(1) :214-224..)进行化agment型天线结构设计，比较其设计结果，如图5所示。相较 于W前的改进BPS0,本发明提出的改进BPSO有较快的收敛速度找到满足设计需求的天线结 构。
[0100] W上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技 术人员来说，本发明可W有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于二进制粒子群算法的Fragment型天线结构设计方法，其特征在于，包括以 下步骤： 步骤1:依据天线设计需求构建天线初始模型，确定设计区域； 步骤2:依据天线设计需求构造天线设计目标的目标函数F; 步骤3:将设计区域离散为m个子设计区域； 步骤4:利用正交阵列初始化N组不同的天线设计区域的结构，即将m个子设计区域映射 为长度为m的N组不同的二进制编码Χ1，Χ2, · · ·，XN; 步骤5:随机给N组二进制编码中每个元素分配一个初始速度V1，V2,. . .，VN，初始速度向 量，包含m个速度，以一组编码作为一个个体，N组编码作为一个群体； 步骤6:调用电磁仿真工具分别获取N组天线编码的响应值，利用其响应值求解目标函 数，获得每个个体当前最优编码为Pbest、所有N个个体的全局当前最优编码为Gbest; 步骤7:判断步骤6求解获得的目标函数值是否满足天线设计需求，若满足，则进入步骤 8,否则，基于二进制粒子群更新操作更新N组二进制串编码每个元素的速度并生成新的N组 编码，返回步骤6,直到获得符合设计要求的编码或者达到二进制粒子群更新操作的最大迭 代次数； 步骤8:结束Fragment型天线结构设计。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用正交阵列初始化N组不同的天线 设计区域的结构，具体过程如下： 每组天线设计区域的结构长度均为m: 1) 将应用于天线结构设计区域初始化的正交阵列定义为〇A(N，m，2)即一个大小为 [XW]Nx m的矩阵，其中XU为正交阵列的元素，N代表N组编码，m代表编码长度为m，2代表编码 元素为〇或1; 2) 构造正交阵列OA 情形一:若Ν = 2、其中L为正整数且满足m=2L-l，则依据如下步骤构造正交阵列0Α(Ν， m,2)： A) 对于基本列Xj，其中j = 1,2,4, ·21-1，则 从1 = 1到L，进行如下循环 j = 21_1 (1) 则正交阵列^列的元素分别为(2) B) 对于除基本列之外的非基本列，则 从1 = 2到L，进行如下循环 j = 21"1 (3) 贝IJ正交阵列非基本列的元素为(4) 情形二:若不存在上述正整数J满足N=，则取L为满足式(5)的最小正整数 2L-1彡m (5) 然后令n/ =2L-1，按照情形一的方法构造正交阵列0Α(Ν，π/，2)，然后删除最后的n/-m 列，获得正交阵列〇A(N，m，2); 3)将正交阵列的每一行作为一个天线结构设计的个体，初始化天线设计区域结构。3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述基于二进制粒子群更新操作，获得 符合设计要求的编码的具体过程如下： 对于N组天线设计参数变量依次进行如下操作:i = 1; 1) 依据如下公式更新第i组编码的速度 vi(t) = ω vi(t-l)+ciri(Pbest-xi(t-l) )+C2r2(Gbest-xi(t-l)) 其中，t为迭代次数，vi(t)和vi(t-l)分别为第i组编码第t次和t-1次迭代的速度，xi(t-1)为第i组编码第t-1次迭代的二进制0/1编码，ω为惯性权重，CjPc 2为学习因子，^和^是 [〇，1]之间的随机数； 2) 依据如下公式更新第i组编码：其中，kmax = 2和kmin=l分别是转换因子的最大和最小值，k(t)为第t次迭代的转换因 子，S(ViCt))为第t次迭代的转换函数，Xi(t)为第t次迭代的二进制0/1编码。4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述基于二进制粒子群更新操作中惯性权 重ω，学习因子Ci和C2依次设置为ω =1，ci = C2 = 2。
【文档编号】G06F17/50GK106021825SQ201610531511
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月7日
【发明人】董健, 李茜茜, 邓联文
【申请人】中南大学