基于代理模型法和差分进化算法的天线优化设计

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作为有效发射和接收电磁波的关键部件,天线在无线通信系统中起着举足轻重的作用。面对越来越复杂的天线结构,使用优化算法对天线结构参数进行优化已成为天线设计的一个重要方向。差分进化算法(Differential Evolution, DE)作为一种强有力的全局搜索算法,非常适合求解电磁学中复杂的优化问题。但是,由于电磁场数值计算的复杂性,目标函数的计算往往需要大量时间。在解决类似的高计算成本问题时,常使用代理模型法。该方法使用复杂度较低的代理模型来代替原问题中的精确函数计算,从而减小了计算量。本文首先介绍了高频仿真软件HFSS中的宏操作,并以此为基础,将差分进化算法与HFSS相结合,对一个PIFA天线的阻抗特性进行了优化。为了提高优化效率,本文将代理模型法与DE算法相结合,使用DE算法生成子代个体,使用代理模型对目标函数进行估计,仅在建立代理模型和对结果进行验证时才使用精确电磁仿真。为了验证算法的有效性,使用该方法优化设计了同一个PIFA天线,结果显示,使用代理模型/DE算法能在保证解的质量的同时,减少优化过程中的电磁仿真次数,从而显著减少了优化所需的时间。随后,使用代理模型/DE算法对一个宽带E形贴片天线的阻抗特性进行了优化,使天线在5-6GHz频段内反射系数低于-12.48dB,最后,使用该算法对一个准八木天线的阻抗和增益分别作了优化。在10-11GHz频段内,优化后的反射系数小于-27dB,优化后的平均增益达到6.46dB。优化结果表明,代理模型/DE算法是一种有效的天线优化设计方法。
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