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天线优化设计技术是天线领域的一个研究热点。随着高性能PC机以及工作站的普及,使复杂天线的快速精确分析和设计成为可能,同时为天线设计师利用进化算法设计天线提供了新思路。差分进化算法与大多数进化算法相比,具有全局搜索能力强、算法简单、易于编程等优点,非常适合求解复杂天线优化设计问题。因此,研究基于差分进化算法的天线优化设计技术具有重要的理论意义和潜在的应用价值。本论文结合科研项目,研究基于差分进化算法的天线优化设计技术,采用差分进化算法分别优化设计了贴片天线、八木天线、宽带阵列和稀疏阵列等天线。论文的主要研究成果可概括为以下几个方面:
1.宽频带贴片天线优化设计。针对选定的天线拓扑结构,把差分进化算法和矩量法(DE/MoM)相结合,对宽频带贴片天线的输入阻抗进行了优化设计,仿真和测试结果表明,所设计天线具有良好的宽频带性能。为了减小DE/MoM算法的计算量,提出了一种基于差分进化算法和空间映射技术的混合优化方法(DE/SM),该算法的计算量约为DE/MoM算法的三分之一。
2.混合差分进化(DESQI)算法。为了加速标准DE算法的收敛速度,将简化二次插值法(SQI)融入差分进化算法,提出了一种混合差分进化(DESQI)算法。对7个标准测试函数的仿真结果表明了该算法的有效性。为了进一步展现DESQI算法的优越性和实用性,采用DESQI算法分别对八木天线和宽频带贴片天线进行了优化设计。数值实验结果表明,与标准DE算法和其它进化算法相比,DESQI算法收敛速度快,解的质量高。
3.宽频带不等间距天线阵的优化设计。在工程实际应用中,阵列的设计通常受到诸多实际条件和需求的约束,如在给定工作带宽、孔径尺寸和阵元数条件下的阵元间距约束等。因此,综合具有尽可能低峰值副瓣的宽频带不等间距天线阵可以归结为一个约束优化问题。针对这一问题,采用约束差分进化算法来求解。数值实验结果表明不等间距阵列的辐射方向图在宽频带内具有较低的副瓣特性,同时也表明约束DE算法是一种有效的天线阵综合技术。
4.平面稀疏天线阵的优化布局研究。提出了一种布尔差分进化(BDE)算法,采用该算法对平面稀疏阵进行了低副瓣优化设计。在优化过程中,利用快速傅立叶变换(FFT)算法来计算阵因子,从而大大减少了整个优化过程所需的时间。运用BDE算法设计了若干个平面稀疏阵,验证了所提出算法的有效性。
5.基于自适应混合差分进化算法的天线优化设计技术。为了减少混合差分进化算法的计算代价,克服控制参数选择的困难,设计了一种自适应混合差分进化算法,用于求解天线领域的优化问题。为了验证所提出算法的有效性,采用该算法对不等间距直线阵列天线进行了优化设计。数值结果表明该算法不但能够求得优于文献中的结果而且计算代价相对较小。最后,运用该算法解决了星载多波束天线相位方向图的多项式函数拟合问题,数值实验结果表明,天线相位方向图的拟合精度较高,能够满足工程需求。