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本文完成了一种宽波束、宽带宽的卫星天线的并行演化自动设计。该卫星天线设计要求是收发共用并且收发频率间隔相隔较宽,对增益的要求较高,并且为右旋圆极化。演化算法是进行复杂问题进行解空间搜索的重要方法。它本质上是一种随机搜索算法,对目标函数的要求不高,不需要其可导甚至连续。并且它能进行解的全空间搜索,能够跳出局部最优,具有较好的全局性。算法仿照自然选择和遗传进化过程,可以将优秀的基因段保留到下一代,自动积累有关搜索空间的知识,加快搜索过程的收敛。另外,由于演化算法内部的种群和个体易实现并行化,可以在并行计算平台或者大型并行计算机上进行计算,大大提高计算速度。这就使得它非常适合于需要很大计算量的天线设计中。因此从九十年代以来,就有学者将演化算法应用于电磁领域。
传统的手工天线设计需要设计人员具有丰富的经验,为了方便计算和处理,只能将实际物体简化成简单的模型,这样就无法提高精度。而且在卫星天线的周围很近的地方,会有太阳能帆板等很多其它元件,且宽带宽高增益天线在传统的天线手工设计中是十分不容易的。本文使用演化算法和电磁场数值计算进行天线自动设计,可以拓宽天线设计范围并提高其质量,成为现代天线研究的一个热点。
本设计中的天线编码使用了可以体现分支天线结构的实数串,由于设计中增益目标比较重要,而且较难达到,所以设计中另加了惩罚函数,使增益的演化更为有效。基本演化算法对问题的挖掘不够多,在本设计的实践中性能不是很好,为此,我们使用了很多种的改进的演化算法,它们在具体的问题上有更加优秀的表现。本项目用到的改进演化算法主要有:低维邻域搜索演化算法(LDNSEA),动态占优演化算法(DDEA)和自适应调整控制参数的差异演化算法(SelfDE)。它们作为算法库,都已在本项目中得到了实现。计算中采用的并行计算平台,是由以太网连接的几台微机构成的,节点之间的通信采用通用消息传递接口MPI。为方便任务的发送和结果的回收,采用主从式模型,主节点专门用于任务分配,从节点则完成分配的任务。
演化算法需要天线的增益分布和驻波比等参数,以对个体进行评估,这些参数由电磁场数值计算软件来提供。矩量法和有限元法都是求解电磁场数值问题的有效工具,由于原理不同,基于矩量法的NEC软件计算速度很快但精度欠佳。演化过程中会产生成千个的个体要进行评估,要求电磁场数值计算速度要快,这只能使用计算速度快但精度不是很高的NEC软件。另外,由于NEC的代码是开源的,进行了修改和封装,其计算速度更快,也更方便调用。
基于有限元法的Ansoft HFSS软件,则由于模型更加符合实际应用情况,计算速度很慢,但精度高。由于两个软件的原理不同,精度有差别,这就导致了演化算法的结果,在使用Ansoft HFSS软件进行重新评估时,结果表现并不突出。因此在进行四分支对称天线的设计中将演化算法和正交试验设计相结合,从而也将这两种电磁计算软件结合,可以既有较高的速度,也满足了精度要求。由于正交设计具有搜索空间均匀采样的特点,不需要很多次的实验。这时就可以采用高精度的Ansoft HFSS软件进行天线电磁计算。这样就消除了两个软件的结果之间的差别,也更加精确并符合实际应用。
单纯使用演化计算,虽然可以进行全局搜索,但进行进一步的局部细化搜索会带来巨大的计算量。针对设计要求,本文采用了演化算法和正交设计相结合的方法,设计了一种四分支对称天线。用演化算法来进行大规模全局范围内的解搜索,将其生成的天线再进行正交设计,可以在局部小范围内进行进一步的均匀细化搜索。这只付出了很小的计算量,而大大改善了天线性能。从对比图中可以看出,使用正交试验设计后,天线的增益有了较大改善,表现稳定,其增益图更加平缓,分布更加均匀。尤其是在边界上时,增益有0.6—1.5dB左右,驻波比也低。增益的增加,可以抵消进行阻抗匹配或者馈电等带来的损耗,并使通信的可靠性大为增强。