采用遗传算法优化的微带天线设计

摘要

随着无线通信技术的快速发展,对便携式、多系统移动通信设备中宽频带、小型化天线的需求也不断增加。微带天线以其低剖面、轻重量、低成本、易与电路或阵列集成等优点得到了广泛的应用。但是,工作频带较窄限制了微带天线的发展。
　　 本文介绍了常用的增加微带天线带宽的方法,但微带天线的小型化和宽频带存在着此消彼长的矛盾。为了解决这个问题,现在天线已经从最初简单的偶极子天线变化出了多种形状、各种结构的复杂形态,这也意味着天线设计必需要权衡多个参数。
　　 遗传算法(GA)凭借其简单、不依赖于初始条件等卓越的优化性能成为优化天线设计的理想选择。本文论述了结合遗传算法和高频仿真软件HFSS各自优点编写的优化程序,可以实现微带天线多个结构参数的联合优化。该优化方法建立在MATLAB平台上,通过调用HFSS仿真得到天线的S11参数,遗传算法以S11为基准对天线结构尺寸进行优化。
　　 本文提出了一种遗传算法结合HFSS优化天线贴片“开窗”的新策略。传统的遗传算法优化天线贴片“开窗”的方法是:将贴片用网格划分,每个子贴片与遗传算法中二进制编码串的一位对应；编码串中“1”代表子贴片保留,“0”代表子贴片去除。通过优化可以得到不规则形状的贴片。但这种方法存在两大弊端:第一,当保留的子贴片仅在顶点处相接时,优化难以收敛；其次,优化出的缝隙形状不够多样化。本文提出的优化策略无需对贴片进行网格划分,而是规定一个“模子”,遗传算法优化“模子”的切割位置,即每个个体信息的二进制编码串包含了每次“模子”切割的坐标(x,y),每次切割后程序调用HFSS对天线进行建模仿真,用对应的S11参数计算适应度函数,进而完成遗传算法的优化,经过多次切割优化就能得到符合要求的“开窗”方案。这种策略能克服上述两个缺陷,本文用一个带宽提高50％的天线“开窗”优化实例验证了这种优化方法的有效性。
　　 最后,本文利用GA／HFSS优化程序辅助设计了一款微带单极天线和一款平面倒F天线(PIFA),他们都符合宽频带、小型化的设计目标。这款微带单极天线采用栅形结构的贴片、矩形接地板和带有凹槽的介质层,体积只有60×25×3.2mm3,S11≤-10dB带宽为1.67～3.68GHz,覆盖了DCS1800,PCS1900,WCDMA,UMTS以及WiBro／WLAN等主流通信系统的工作频带。此外,在整个频带内具有较稳定的辐射特性。另一款平面倒F天线采用了铁氧体和空气结合的介质层以及T形接地板,天线的辐射结构尺寸仅为29×5×1mm3,S11≤-10dB带宽为620～820MHz。对这款天线进行实物加工,经过调试得到了与仿真吻合的测试结果。