基于遗传算法的超宽带微带天线优化设计

孙思扬 吕英华 张金玲 喇东升 赵志东 阮方鸣

(1.北京邮电大学电子工程学院，北京 100876； 2.贵州师范大学物理电子学院，贵州 贵阳 550001)

1.引 言

自从美国联邦通讯委员会(FCC)将3.1～10.6 GHz之间的频段分配给超宽带(UWB)无线通信业务使用之后，超宽带技术以其高传输速率及较强的抗多径干扰能力在短距离高速无线通信领域引起了全球范围的广泛关注。在UWB系统中，结构紧凑，低成本，易于集成的UWB天线的研究设计成为最近几年研究的一个热点。研究者们提出了许多不同形状的超宽带平面单极子天线来满足超宽带通信系统的需求[1-5]。

遗传算法是模拟生物在自然环境中的遗传和进化过程而形成的一种自适应全局优化概率搜索算法。它最早由美国密执安大学的Holland教授提出，起源于60年代对自然和人工自适应系统的研究。作为一种全局优化搜索算法，遗传算法以其简单通用、鲁棒性强、适于并行处理等显著特点，在图像处理、组合优化、自动控制等众多领域获得了成功的应用[6]。

随着微带天线设计理论与技术的不断发展，遗传算法开始引入到微带天线设计中来[7-11]。通过遗传算法对天线的结构参数进行全局优化，得到满足某些性能要求的微带天线。本文成功地将遗传算法应用于超宽带微带天线设计，建立了基于遗传算法和HFSS(high frequency simulation software)的优化工程以执行参数优化任务。在此基础上，优化出了一款具有超宽频带特性的平面单极子天线。为了获得超宽带的频率特性，采用圆环形辐射贴片，并通过在接地板上蚀刻缝隙以改善阻抗匹配。对所设计天线的输入端反射特性及辐射方向图进行了仿真分析。结果表明：该天线在3～11 GHz频段内的回波损耗小于-10 dB，完全可以覆盖FCC分配给UWB业务的3.1～10.6 GHz频段。

2. 遗传优化策略

本文建立了基于遗传算法和HFSS(high frequency simulation software)的优化工程以执行参数优化任务，并对其编程实现。该工程包含两个功能模块：遗传算法模块和适应度模块，如图1所示。

遗传算法模块实现参数优化功能，如图2所示。它执行以下三个步骤

1) 产生每个个体的结构参数，并将其传递给适应度模块；

2) 接收由适应度模块计算并传递来的个体的适应度值；

3) 对接收来的个体适应度值进行循环终止条件判断，若符合条件，则已找到满足要求的解，程序退出循环并显示结果。否则，基于适应度值，将选择、交叉、变异算子作用于当前种群，从而产生下一代种群。在选择算子中，引入最优保存策略以保证所采用的遗传算法的收敛性。上述流程循环进行，直到满足循环终止条件为止。

图1 所建立优化工程的结构图

图2 遗传算法模块结构图

适应度模块实现计算适应度值的功能，如图3所示。它执行以下三个步骤

图3 适应度模块结构图

1) 接收个体的结构参数并解码，调用HFSS软件计算个体的电特性参数；

2) 将HFSS计算得到的电特性参数，如回波损耗，代入所设计的适应度函数计算个体的适应度值；

3) 将得到的适应度值返回遗传算法模块以进行遗传操作。

本文的目的是利用遗传算法对天线的结构参数进行优化，从而得到超宽带的频率特性。目标频段为3～11 GHz，要求在此频段上的回波损耗小于-10 dB。基于上述考虑，适应度函数定义为在目标频段上回波损耗值(S11)的平均值。

(1)

(2)

上述方程中，fi为目标频带内的抽样频率。如果这些抽样频率处回波损耗值(S11)的平均值小于-10 dB，则认为达到设计目标，程序跳出循环并显示结果。

在本设计中，抽样频率fi均匀分布于3～11 GHz频段，间隔500 MHz。

3.天线结构设计

本文所设计的超宽带平面单极子天线结构如图4所示。天线的辐射单元为一内外半径分别为R2，R1的圆环型薄片，印制于42 mm×30 mm(L×W)的FR4介质板之上。接地板位于介质板的另一侧，采用矩形结构，其上蚀刻有尺寸分别为L1×W1，L2×W2的矩形缝隙，用以调节阻抗匹配。此外，间距L3用于调节圆环形辐射贴片与接地板之间的电磁耦合。

图4 天线结构示意图

在本设计中，缝隙尺寸(L1，W1)，(L2，W2)，圆环内外半径R2，R1，辐射贴片与接地板之间的间距L3为影响天线阻抗带宽的重要参数，因此，利用第二节所建立的优化工程，对其进行全局优化。

4. 结果分析

在上述分析的基础上，本节利用遗传算法对所设计天线的结构参数进行全局优化，并对天线性能进行了仿真分析。遗传算法优化之后所得到的天线的结构参数如表1所示(单位：mm)。

表1 所设计天线结构参数的优化结果

利用电磁仿真软件HFSS对优化得到的天线的电特性进行仿真。图5 所示为天线输入端回波损耗的频率特性曲线。由图可见，天线输入端的回波损耗在3～11 GHz频段范围内均小于-10 dB，频带宽度约为3.7：1，完全可以覆盖FCC分配给UWB业务的3.1～10.6 GHz频段。

图5 天线输入端回波损耗的频率特性曲线

为了研究天线的辐射特性，本文对天线的辐射方向图进行了仿真研究。选择的三个频点分别为3.5 GHz，8 GHz，10.4 GHz。图6中(a)～(f)分别给出了上述三个频点处天线的E面和H面的方向图。由图可见，在整个频带内，该超宽带天线在H面内具有近似全向辐射的特性，只有在8 GHz附近H面方向图出现分叉。而对于E面，在整个频段内，天线方向图基本呈“∞“形。

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)图6 不同工作频率下天线的方向图

5. 结 论

本文成功地将遗传算法用于超宽带微带天线设计。建立了基于遗传算法和电磁仿真软件HFSS的优化工程。在此基础之上，优化设计出了一款新型超宽带微带天线。该天线在结构上采用圆环形辐射贴片，并通过在接地板上蚀刻缝隙以调节阻抗匹配。研究结果显示：其在3～11 GHz频段内的回波损耗小于-10 dB，且具有良好的辐射特性。这充分说明了该优化工程在超宽带微带天线的设计优化中的有效性。在今后的工作中，将新的遗传算子引入优化程序中，以提高算法效率。

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