（电磁场与微波技术专业论文）基于免疫算法的方向图和频率双可重构微带天线.pdf

摘要 可重构天线技术是目前天线领域的研究热点，它可以在同一副天线上实现多 副天线的功能，这一技术是为了满足近年来无线通信系统进一步向大容量、多功 能、超宽带方向发展的需求而提出的。目前这一研究领域还处于发展阶段，仍然 有许多难题需要解决。由于天线结构特征和它的电磁特征之间的关系具有高度非 线性、多极值、不可微分等明显特点。因此天线研究是一种非常复杂的电磁问题。 而可重构天线的设计更需要高效的电磁分析手段，它不是简单的等同于多个传统 天线的叠加。 免疫算法是免疫信息机理与遗传算法结合起来的产物，是在遗传算法的基础 上发展起来的，但是它克服了遗传算法中的一些缺点，有着比遗传算法更多的优 点：搜索效率高、可以避免过早收敛、群体优化、保持个体多样性、自适应自学 习等。正是由于遗传算法对待优化函数没有线性、可微性等条件的限制，使得它 非常适合于优化高度非线性的天线参数。免疫算法作为遗传算法的改进，在收敛 性，全局性和优化精度方面都优于遗传算法，可以提高算法精度，节省迭代次数。 本文将可重构天线设计中常用的矩量法( m o m ) 与免疫算法结合来对可重构 天线进行了优化设计，在简要介绍了微带可重构天线及各种优化算法后，本文分 析了免疫算法在可重构天线设计中的优势。随后在归纳总结了近几年基于遗传算 法的天线的研究成果的基础上，通过免疫算法设计出了两种既可以在固定频率点 上进行方向图的扫描变化又可以在特定的方向上实现频率的灵活变化的微带可 重构天线。 关键词：频率和方向图可重构天线免疫算法矩量法 a b s t r a c t 1 1 l e 他c o n f i g u r a b l e 舳t e 曲ac 锄m l f i l l 如n c t i o n so fm u l t i 一觚t e 蛐ao no n i yo n e 锄t e n n a i i lo r d e rt 0i 1 1 c r e 硒et h ec 印a b i l i t i e s 锄dm n c t i o n so fw i r c l e s si 1 1 t e 莎a t e d i n f 0 m a t i o ns y s t e m s 锄dw i d e nt h e i rb 舳d w i d t h s ，o v e r c o m et 1 1 e d r a w b a c l ( s ，t h e c o n c e p t0 fr e c o 倘g u r a b l e 锄t c 肌ai sp r e s e n t e d a tp r e s e n t ，t h i sw o 出i ss t i l l a t d e v e l o p i n gs t a g e ，蚰dm u c hu i l l m o w nd o m a i n sn e e dt 0b eo v e r c o m e d u et 0m e h i g h l yn o n l i n e a r m o 他窃【t 陀m e ，n o td i 仃e r c n t i a lr c l a t i o nb e t w e e n 锄t e 肌as 价l c t u m 粕db e l e c t r o m a g n e t i cc h a 豫c t e r i s t i c s ，t l l es t u d yo fa n t e 腑a 髓di t se l e 鼬r o m a g n e t i ci s av e 叫c o m p l i c a t e dp r o b l e m a n dt h ed e s i 印o f 托c o n f i g u r a b l e 锄t e n n an d sm o 聆 e m c i c n te l e c t r c i m a 印e t i c 锄a l y s i sm e t l l o d s ，b e c 粕s ei ti sn o ta s i l i l p l e 蛐p e q ) 0 s i t i o n w i t hm o r e 伽i d i t i o n a l 锄t e n n a 1 i t 】岫u n ea 1 9 0 r i t h i i li sc o m b i 鹏d 州t l l l eg e n e t i ca l g o r i m m 柚dm e c h 龇i s mo f i l l l - n 1 哪ei n f 0 肌a t i o n 觚db a s e do n 廿1 eg e n e t i ca l g o r i t l l m c o m p 玳dt 0t 1 1 eg c n e t i c a l g o r i t h m ，廿l c 砷衄u n eh 嬲m o r ea d v 锄t a g e s b e c a u s eo fg e n e t i ca l g o r i t h mh a v en o l i i l e 盯锄dd i 仃e 嗍t i a b l e 代刚c t i so f c t i ，i ti sv e r y 跚i t a b l ef o rh i g h l yn o n l i l l e 扯 锄t e 衄ap a r a m e t e 璐o p t i m 泣a t i o n i i i u n u n ea 1 9 0 r i t l l m 舔锄i m p r o v e da l g o r i t i l mt ot h e g e n c t i ca l 酬岫i ss u p 鲥o rt 0g e n c t i ca 1 9 0 r i t l l mi i lm 觚y 嬲p c c t s 锄dc 锄i i t l p r 0 v e t i l ea l g o r i t l l mp r e c i s i 叩粕da c c m c y 锄dt 0s a v ei t c 均t i o nn u m b e r c 0 m b i n e dw i mt h em e t l l o do fm o m e n t ( m o m ) w i t l li m m u n ea l g o r i t h m ，t l l i s p a p e ro p t i m i z c s 也er e c o n f i g u 瑚l b l e觚t e 衄a f i r s t l y 也i sp a p c r 砷d u c e d 廿l e 如n d a n l e n t a lt 1 1 e o 叫o fm e 他c o n f i g u m b l e 锄t e 衄a s 锄dl ( i n d so fo p t i i n i z e da l g o r i t h i i i s c c o n d l y 、em a k eac o m p a 糟b e t v 旧e nt l l eg e n e t i c 锄di m m 岫ea l g o r i t l u l l t h e nw e s u m m e du pt l l e d e v e l o p m e n to ft i l e 代c o n f i g u r a b l e 锄t e m 嬲b 部e do ni i i l m u n e a l g o r i t l l mi n 他c e n ty c a 硌a ti a s t ，s e v e m lf r c q u e n c y 锄dp a t t e mr c c o n f i g u r a m e 觚t e 衄鹪玳d e s i 印e db 勰e d0 n 也eo p t i m i z a t i o no ft i l e i i n i n u n ea l g o r i m m 1 1 1 e s e 锄锄m 嬲c 锄他a l 娩e dt l l en e x i b l ec h 锄g eo f 丘c q u e n c y0 rf l e x i b l ec h 粕g eo f p a t t e mi i l af i x e df b q u e n c y 锄dt h ec h a n g eo ff b q u e n c yi i lt h ef i x e dp a 仕c m 1 ( e yw o l i s ：i i n m 岫ea l g o r i t ，雠q u e n c y 锄dp a n e mr e c o n f i g u m b l e 锄t e 加a ， m 如o do fm o m e n t 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 近年来，大容量、多功能、超宽带无线通信系统的迅猛发展，使得在同一平 台上搭载的信息子系统数量增加。作为无线系统中信息出入必然通道的天线，其 数量也相应增加，这与降低系统复杂性以及成本的要求背道而驰，另外，从消除 干扰噪声，实现良好的电磁兼容特性方面来看，天线的数量和复杂度也应该限制 在一定数量范围内。因此天线数量增加成为制约通信系统进一步向大容量、多功 能、超宽带方向发展的一大瓶颈【l 】。 为了克服这个“瓶颈 ，使整个通信系统的特性尽可能少地受到天线的制约， “可重构天线 ( r e c o n 6 9 u r a b i e a n t c m 扭) 的概念应运而生并得到了发展【2 1 0 可重 构天线就是采用同一个天线或天线阵，通过动态改变其物理结构或尺寸，使其具 有多个天线的功能，相当于多个天线共用一个物理口径。可重构天线的研究旨在 使天线能根据实际环境的需求实时重构天线特性，使一个天线能工作在多个频 段，多个反向上，多个模式以同时满足无线系统的不同需求。 另外，近年来认知无线电技术和多输入多输出( m m o ) 无线通信技术的发 展都分别对可重构天线提出了新的要求。m m o 系统的核心思想是在通信系统发 射机和接收机两端同时使用多个天线，而天线数量的增加会加大终端的体积，限 制无线终端小型化的发展。为了降低终端搭载天线的数量，必须设计出多频率多 方向图可重构的天线，使得同一天线物理口径所代表的天线尽量多【3 1 。认知无线 电系统是一种智能的无线频谱共享技术，主要是通过感知周围的频谱情况，智能 的学习并实时调整参数来达到频谱共享的目的。天线作为无线平台一个重要的收 发信息的部分，对认知无线电系统的发展起着至关重要的作用。认知无线电要全 面、准确的检测到周围环境电磁场的情况，必须使用全向的天线。而让认知无线 电系统同时又需要定向天线与基站和其他用户进行定向的通讯。如此，在认知无 线电中需要两幅天线。而且其中的定向天线还必须能够实时灵活的转换频率和方 向副“】。 那么，基于上述m m o 系统和认知无线电系统对天线提出的要求，我们能不 能设计一种天线的优化方法它可以在一副基础的天线结构上根据需要实时的、灵 活的优化出相应的天线参数并通过这些参数控制天线结构的改变。近年来发展起 第一章绪论 来的免疫算法可以动态在线寻优，是一种非常适合可重构天线的优化方法。 m i c h i g a l l 大学h o l l a l l d 教授1 9 7 5 年提出了用遗传算法作为一种生物进化计 算模型。它是一种全局优化搜索算法，由于其对目标函数不要求连续性和可微等 条件的限制，已广泛应用于阵列天线综合领域。近年来，许多学者采用遗传算法 来进行直线阵优化设计，并且达到较好的效果。尽管遗传算法在优化设计等领域 取得很好效果，但也存在着严重不足，如早熟现象、欺骗问题、搜索效率低、不 能很好保持个体的多样性、容易陷入局部收敛等，从而影响了遗传算法的正确性 与有效性【- 射。 免疫算法大致可以分为三种：免疫遗传算法、免疫规划和免疫策略，其中免 疫遗传算法出现较早研究也相对成熟，本文所用到的就是免疫遗传算法。免疫遗 传算法是继遗传算法后，提取的又一智能仿生算法，是目前研究的一个热点，免疫 算法基于智能搜索的全局优化技术具有搜索效率高、避免过早收敛、群体优化、 保持个体多样性以及自适应、自学习等优点。是智能计算应用中具有很大潜力的 并行分布式自适应系统。有学者研究表明免疫算法有着比遗传算法更强的函数优 化性能【9 - 1 0 1 。该算法已成功应用于工业控制模拟，计算机科学和电子通信等领域。 目前提出的免疫优化算法大都是针对传统遗传算法存在的问题，结合不同的免疫 信息处理机制发展而来的。目前免疫与遗传算法的结合已有了初步的成果，然而 免疫系统的分布性、多时间尺度进化、动态优化等特性在优化算法方面的应用仍 需作进一步的探索研刭j 。 天线研究一种非常复杂的电磁问题，天线结构特征和电磁特征之间的关系具 有高度非线性、多极值、不可微分等明显特点。而可重构天线的设计更需要高效 的电磁分析手段，它不等同于多个传统天线的简单叠加。免疫算法由于其对待优 化函数没有线性、可微性等条件的限制，使得它非常适合于优化高度非线性的天 线参数。再加上它在收敛性，全局性，优化精度和自学习方面都优于遗传算法， 可以提高算法精度，节省迭代次数。这就是本毕业设计选择用免疫算法来优化天 线结构的原因。 1 2 本文主要贡献及内容安排 本文的主要研究内容是方向图和频率可重构微带天线，包括相关知识介绍和 天线的设计。该研究课题为国家重点基础研究发展计划( 9 7 3 ) 课题：“基带处理 与天线协同 的一部分研究内容，具有重要的意义。 “可重构天线 是天线领域一个崭新的概念，目前仍处于发展阶段，相关理 论以及设计方法仍未成熟，基于免疫算法的可重构天线，因其具有更加灵活的控 2 第一章绪论 制手段，可以实现更多功能天线物理口径的共用，相对减小了天线的物理尺寸， 更是具有广阔的发展空间。而目前大部分天线的优化比较多采用的是遗传算法， 而且都是对天线的单一目标进行可重构，将免疫算法与方向图和频率双可重构天 线结合起来的研究内容，目前还鲜有报道，本文将在这一方面进行初步的探索。 论文的主要贡献有： 第一使用免疫算法而不是遗传算法为天线的优化方法。免疫算法与遗传算 法有很多相似之处，但是却又针对遗传算法的缺点进行了改进，所以在很多方面， 比如在收敛性和收敛速度等方面都比遗传算法更加优秀。所以基于免疫算法的可 重构天线优化就更节省时间且优化结果更精确。 第二本文将f e m 、m o m 和免疫算法相结合。首先，使用m a n a b 中p d e 工具箱对贴片天线进行有限元建模。其次，通过工具箱内部d e l a u n a y 三角化函 数将天线分割成有限个三角单元的组合并用矩量法求得阻抗矩阵，计算出天线 的表面电流及其它参数。最后，通过免疫算法优化贴片天线的表面结构实现微带 天线的可重构特性。 第三本文根据已有设计天线的经验，设计了几种新型结构的天线，这些天 线在可重构优化的时候，都具有比较丰富的谐振频率点和方向图特性。实现了固 定方向图上的频率可重构和固定频率上的方向图可重构。 论文的内容安排如下： 第一章即本章，为绪论内容。概述了免疫算法和可重构天线的发展和目前 研究情况，介绍了本文研究内容等。 第二章介绍微带可重构天线基本理论，介绍了微带天线基本理论、可重构 天线的基本理论以及微带可重构天线的实现方式。 第三章介绍了免疫算法的基本原理及其发展过程和与本课题有关的 m a l l 。a b 相关工具箱和矩量法等的。重点阐述了免疫算法与遗传算法的不同及 对遗传算法的改进和其应用于天线设计领域的可行性与重要性以及m 棚a b 中 矩量法建模天线的步骤。 第四章本章内容为基于免疫算法的可重构天线基础知识以及在国内外的研 究进程，介绍了基于免疫算法的可重构天线的应用前景( 认知无线电中，m m o 系统中，o f d m 系统中等) 。另外，本章中介绍了一种简单的基于免疫算法的多 频率可重构天线，借助m 枷，a b 中的p d e 工具箱，对天线进行了建模分析。 第五章本章中作者根据理论方法以及数值仿真两种方式设计了两种新型单 元结构的天线，并对这些天线进行优化分析。然后根据不同需求通过免疫算法优 化出相应的天线结构。并观察天线结构的变化及其最终性能的改善。经实际仿真， 证明方法有效。 3 第二章微带可重构天线基本理论 第二章微带可重构天线基本理论 可重构天线作为天线领域一个崭新的研究课题，近年来从理论到实际上都得 到越来越多的关注。不过，可重构天线的理论基础仍然离不开传统的电磁辐射理 论，尤其是微带结构的可重构天线，仍然是在微带天线的基础上发展起来的。因 此为了更深入的理解可重构天线，本章首先介绍微带天线的相关理论，包括其优 缺点、应用、辐射机理、馈电方法和分析方法等等，然后介绍了可重构天线的基 本理论及发展现状，最后重点讨论了微带可重构天线的设计原理，为后面天线的 设计做好理论铺垫。 2 1 微带天线 在一个薄介质基( 如聚四氟乙烯玻璃纤维压层) 上，一面附上金属薄层作为接 地板，另一面用光刻腐蚀等方法做出一定形状的金属贴片，利用微带线和轴线探 针对贴片馈电，这就构成了微带天线。当贴片是一面积单元时，称它为微带天线； 若贴片是一细长带条则称其为微带阵子天线。 微带天线同其他的微波天线相比具有体积小、重量轻、低剖面、性能多样化、 能和有源器件电路集成等很多的优点，使得其更适合于与高速载体共形、大规模 的生产制作。另外微带天线性能是多样化，不同设计的微带天线的最大辐射方向 可以在边射和端射方向范围内随意变化，而且对微带天线进行简单的设计，比 如说切角、双馈，改变天线结构等都可以很方便的实现天线的极化方式的改变。 因此，微带天线非常适合于可重构天线的研究。但是微带天线也有一些缺点，比 如相对带宽较小、效率较低、介质基片对性能的影响较大等。但是由于其独特的 优点，现在人们都在研究改进其缺点的方法，而且已经有一写相对成熟的研究结 果问世。总体来看，瑕不掩瑜，微带天线还是有着广阔的应用前景的。微带天线 的可重构会更进一步减小天线体积，这对于天线的小型化和宽带化是具有重要意 义的【1 2 13 1 。 2 1 1 微带天线种类和结构 微带天线的特征就是比通常的微波天线具有更多的物理参数，他们可以有任 何的几何形状和尺寸。但是，所有的微带天线可以分为四种基本类型：微带贴片 4 第二章微带可重构天线基本理论 天线、微带振子天线、微带行波天线和微带缝隙天线。微带贴片天线是最基本的 一种，它是由介质基片，在基片一面上的任意几何形状的导电贴片和基片另一面 上的地板构成如图2 1 ( a ) 。微带振子天线是一种起宽度远远小于其谐振波长的 贴片天线，如图2 1 ( b ) 。微带行波天线是由基片，在基片一面上的链形周期结 构或普通的长t e m 波传输线和基片另一面上的地板组成如图2 - l ( c ) 。而微带 缝隙天线则是由微带馈线和开在地板上的缝隙组成，缝隙可以是任意形状，比如 宽矩形、窄矩形、圆形、环形等如图2 1 ( d ) 。 徽盛= 互叠；口 梭 接麓扳 椿缱 ( 厶) ( c ) 微带行波天线( d ) 微带缝隙天线 图2 1 微带天线种类 2 1 2 微带天线的辐射机理及分析方法 微带天线的辐射可以用矩形微带贴片天线来简单说明。如图2 2 ( a ) 所示，贴 片尺寸为a b ，介质基片厚度为h ，h 钆，为自由空间波长。微带贴片可看 作宽度为a 、长度为b 的一段微带传输线，沿a 边终端处因为呈现开路，将形成 电压波腹。另外，通常取b 舭，k 为微带线上等效波长，因此贴片b 边也将 呈现电压波腹。此时贴片与接地板间的电场分布如图2 - 2 所示，天线的辐射主 要就由贴片与接地板之间沿这两端的a 边缝隙形成，于是矩形贴片可表示为相距 为b 的两条具有复导纳的缝隙。将两条缝隙的辐射场相叠加，便得到天线的总辐 射场。图2 2 ( c ) 、( d ) 分别表示其h 面和e 面方向图【1 2 1 引。 第二章微带可重构天线基本理论 一3 0i5 f d b ) o 忙) 伯 o e 蕊 篇酴 ( a ) 天线结构及电流磁流分布( b ) 电场分布( c ) h 面方向图( d ) e 面方向图 图2 - 2 矩形微带天线及其主面方向图 天线分析的基本问题是求解天线在周围空间建立的电磁场，求得电磁场后， 进而得出其方向图、增益和输入阻抗等特性指标。分析微带天线的基本理论大致 可分为以下3 种1 1 2 - l 引。 第一种，传输线模型( t l m 一一1 r a n s m i s s i o nl i l l em o d e l ) ，分析过程类似于 上面微带天线辐射机理的分析，将一矩形天线等效为一段微带传输线，两端由辐 射缝隙的等效导纳加载。这一模型最早出现，也最简单，但仅适用于矩形贴片天 线。这种分析方法把微带天线的分析简化为一维的传输线问题。 第二种，空腔模型( c m 一一c a v i t ym o d e l ) ，由罗远祉教授提出。这种方法 将微带天线的贴片下空间看成是由上下为电壁、四周为磁壁围成的漏波谐振空 腔。这一模型可用于各种规则贴片，对微带天线的工作特性有了更为深入的理解， 但基本上限于天线厚度远小于波长的情况。这种分析方法在第一种方法的基础上 发展到基于二维边值问题的解析求解。 第三种，全波分析法( f w 一一f u l lw a v e ) 或称积分方程法( m m 一一i n t e g r a l e q u a t i o nm e t h o d ) ，这种方法首先利用并矢格林函数导出对电流密度的积分方程， 然后对电流选择适当的基函数展开式和试验函数，将积分方程化为矩阵方程，从 而可解出贴片电流并用来计算天线特性。这种处理成为空域矩量法，后来又发展 6 第二章微带可重构天线基本理论 了频域矩量法、时域有限差分法等数值解法。这类方法都是基于电磁边值问题的 数值求解，从原理上说，可用于各种结构、任意厚度的微带天线，然而要受到计 算模型的精度和机器时长的限制。全波分析法又进了一步，可计入第三维的变化， 成为三维边值问题的数值求解，最为严格，也复杂的多。由于这种方法比较复杂， 后来又发展了一些对积分方程进行简化的方法，如格林函数法( g f a 一一m e n s f u n c t i o na p p r o a c h ) 。另外，对空腔模型进行扩展，又产生了多端网络法( m n a p p r o a c h ) 。 2 1 3 微带天线的馈电方式 微带天线的激励也就是馈电方式可以分为4 种：边沿馈电、探针馈电、口径 耦合馈电以及临近耦合馈叫。其中前两种为直接接触法，后两种为非接触法。 下面对各种方法做简要介绍。 第一种：边沿馈电( 又称侧馈) 。这一种馈电方式出现最早，如图2 3 所示。 其中微带馈线与矩形贴片直接连接。这种方法最主要的一个优点是：馈电单元与 贴片可以制作在同一块介质板上，工艺简单。另外，馈电点在辐射边上移动可以 方便的调谐阻抗大小，便于调节输入电平。不过侧馈的缺点也比较明显，由于天 线的阻抗是随着工作频率的变化而变化的，这会导致天线带宽较窄，另外侧馈还 存在表面波效应和寄生辐射。 微带馈线 图2 - 3 边沿馈电示意图 介质基板 第二种：探针馈电又称背馈。如图2 4 ，其中半径为r o 的探针插入介质层并 与贴片导体相连。探针或馈电针通常是同轴线的内导体，因此一般背馈指同轴线 馈电。通过探针位置来控制阻抗大小，与侧馈类似。背馈具有重要的优点。首先， 馈电网络通过一个接地面与辐射部分隔离，这使其可以分别对每一层进行优化。 其次，这种方式可能是几种方法中最有效的，因为背馈馈电部分直接与天线接触， 且馈电网络大部分与贴片隔离，其寄生辐射最小。与侧馈类似，背馈带宽较窄， 第二章微带可重构天线基本理论 存在表面波。另一个缺点是连接上比较复杂，因此制作起来复杂得多。 图2 - 4 探针馈电示意图 第三种：口径耦合馈点。由于直接接触馈电技术具有明显的缺点( 带宽较窄 和表面波效应) ，人们引入了非接触式馈电方式。其中之一是口径耦合馈电。如 图2 - 5 ，表明了分离的薄层怎样用于馈电网络和贴片。这种方式两层介质板间通 过接地面分开，馈线( 这里为微带线) 与贴片天线间通过接地面上的窄缝进行耦 合。与直接馈电相比，口径耦合具有一些优点。与侧馈不同，它可以分别对馈线 和基板进行优化。与背馈相比，它不需要垂直互联，从而简化了制造工艺但同时 保持了印刷电路技术的共形特征。还有，相对直接馈电方式，口径耦合具有更多 的设计参数，具有更灵活的选择空间。由于口径耦合没有剧烈的电流不连续点， 因而相对容易准确建模。另外一个很明显的优点是口径耦合使天线的带宽特性获 得明显改善。这种方法主要的缺点是由于采用多层结构，天线体积受到限制，制 作天线时，多层之间的定位对齐也是个重要问题。 图2 - 5 口径耦合馈电示意图 贴片 天线基板 口径 接地面 馈电基板 微带馈线 第四种：临近耦合馈电。非接触馈电另一种方式是临近耦合馈电。图2 6 给 出这种馈电方式示意图。微带馈线位于底层基板上，贴片蚀刻在介质板上，两个 介质层中间没有基板，馈电网络与贴片间通过电磁作用进行耦合。因此这种方式 8 第二章微带可重构天线基本理论 也称为电磁耦合。临近耦合的关键特性在于它的耦合机制本质上是电容性的，这 不同于直接接触方法的电感特性，两种方式的差异影响了它们的阻抗带宽，与口 径耦合类似，临近耦合的带宽也明显宽于直接耦合方式。如同口径耦合，对临近 耦合天线进行全波分析也不困难。不过，由于这种方式两个介质层之间采用的是 空气间隙，它面临着比口径耦合更为困难的定位对齐问题。 2 2 微带可重构天线 图2 6 临近耦合馈电示意图 贴片 天线介质 微带馈线 馈电基板 可重构天线这个词最早是在1 9 8 3 年d s c h 卸b e n 等人的专利 “f r c q u e n c y - a g i l e ，p o l 撕z a t i o nd i v e r m i c s t r i pa n t e 蛐a 锄df 托q u e n c ys c 蝴e d 加t a y s 中出现的。不过当时的概念与现在可重构天线的概念大有不同。1 9 9 9 年， 美国国防高级研究计划署( d 眦) 组织了十二家著名的大学，还有一些研究 所和公司，制定实施了名为“可重构孔径 ( r e c o n f i g u r a b l ea p e m 鹏p r o 辨珊 ( r e c a p ) ) 的研究计划，该计划得到了陆、海、空三军的支持。目前，可重构 天线方面的研究成果也主要受这一计划支持川。 广义的可重构天线技术包括机械可重构和电可重构两种。其中电可重构天线 能够在不改变其机械结构的情况下，通过非机械的手段来改变其关键的特性参 数，如工作频率、辐射方向图、极化方式、雷达散射截面和输入阻抗等等，具有 不用人工干预，便于实现控制等特点，关于可重构天线的文献也主要集中在这类 可重构天线上面。下文如不加特别提示，可重构天线特指电可重构天线。 可重构天线主要是采用电控开关改变天线辐射结构来实现工作模式的转换 的。具体的方法就是用开关元件控制天线的关键部位如控制天线与地的连接与断 开、控制天线馈电方式的选择等实现天线的重构。最开始采用的开关元件有 垭s f e t 开关和p i n 二极管开关。这两种开关的开关性能并不是很理想，引入 9 第二章微带可重构天线基本理论 开关对天线性能影响较大，限制了它们在可重构天线中的应用。同时对于可重构 天线技术来说，寻找一种接近理想开关特性的实用开关，也成为其取得更大发展 的前提。近些年来，高性能、低功耗的微电子机械( m e m s ) 开关技术的发展， 使这一理想成为可能。m s 开关所具有的低导通电阻、高断开隔离度、低寄 生电容、超宽带、高度线性性，以及便于与平面电路集成等诸多优良的射频性能， 恰巧能够满足可重构天线对开关的要求，因此现在m e m s 开关广泛地应用于可 重构天线设计当中，并且极大地推动了可重构天线的发展【”1 6 1 。 2 2 1 可重构天线的种类 从目前的研究情况来看，可重构天线从功能上区分，可以分为频率可重构、 方向图可重构、极化可重构以及多种方式联合可重构等几种。 第一类：频率可重构天线。 频率可重构天线通过改变天线的结构使天线具有可重构频率的特性，而同时 天线的方向图和极化方式不变或改变很小。通过频率可重构，可以使天线工作在 一个很宽的频带上或使天线具有多个工作频带。 重构频率最简单的方法是通过在通用天线口径中设置一些开关来重构天线 口径，不同的口径构成，将对应不同的工作频率。频率可重构天线发展较早，成 果也较多。目前这种可重构的发展方向是宽带、超宽带以及多频带。 第二类：方向图可重构天线。 方向图可重构天线是指通过改变天线的结构适当的改变天线的方向图，而不 变化其频率与极化方式的可重构天线。传统上改变天线辐射方向图的方法主要是 采用相控阵天线技术，但是这种技术馈电系统复杂，阵元间距较大，系统成本随 频率增高而巨幅增加，这使得系统性能受到限制。而方向图可重构天线可以克服 传统相控阵天线的这些缺点，使得天线结构相对简单而且更容易控制。 第三类：极化方式可重构天线。 极化方式可重构天线通常简称极化可重构天线。极化可重构天线可以实现几 种极化方式中的两种或多种方式，而不改变天线的工作频率以及方向图。 相对于前两种可重构方式，极化可重构发展较晚，不过由于这种可重构方式 优势明显一一能增加独立的收发通道而不增加天线体积，尤其适用于体积受限的 移动端。因此相关研究成果很多，并引起了越来越多的关注。 第四类：多种方式同时重构的可重构天线。 这种天线是指天线的频率、方向图、极化等多种特性参数中的两个或两个以 上同时实现可重构。它可以充分发挥可重构天线的特点与优势，实现多种分集方 1 0 第二二章微带町醺构天线基本理论 式。因此，它成为了可重构大线的高级形式，设计起来相对更加复杂。 2 2 2 微带可重构天线的实现方法 天线的可重构实现的手段就是通过某种方式改变天线的结构导致表面电流 分布的改变，然后实现改变天线的辐射特性。微带天线与普通的天线相比具有重 量轻、体积小、易共形、低剖面等优点。另外，微带天线还有一个重要的优点就 是容易实现频率、极化的可重构。微带天线的辐射是由微带边缘、开路端或者槽 缝等的场引起的。如果能够实时地改变微带天线口径中的微带边缘、开路端或者 槽缝的形状和位置，就可以获得不同效果的天线特性。根据可重构天线的种类， 我们分别讨论一下四种不同类型的微带可重构天线的实现方法。 2 2 2 1 频率可重构 频率可重构天线是指可以在宽频带或者超宽频带范围内改变工作频率而以 近似相同的方向图进行工作的天线。一般可以通过改变天线的尺寸或天线加载的 电抗值或馈电结构来实现天线的频率可重构。比如说根据矩形微带贴片天线的辐 射机理，我们如果让矩形贴片的长和宽分别对应- 一个谐振频率，通过合理设置馈 l i l f l 馈点 q l l 2 ( a ) ：顶部贴片加载槽及开关放置示意图 m m s 门关a m im s 关i il h 一一一一一一一一一一- 一* p 一 ( b ) 馈线结构调整示意图 图2 7 馈电结构可变的频率可重构微带天线 第二章微带叮重构天线基本理论 电点就可以方便得到双频可重构天线了。另外，s c h a u b e n 和f a r r a r 【1 7 】提出的一种 背负天线也是天线实现频率可重构的一种方法。这种方法是将两个微带天线叠放 在一起，共用一个物理孔径，但是分别馈电，这样就可以使两个微带天线作为独 立的单元分别辐射信号。这两种方法都是通过改变天线的尺寸来实现的可重构。 还有一种实现可重构的方法就是通过改变天线的馈电结构，天线可重构的实现方 法多种多样，结构复杂多样、变换多端。下边我们只简单介绍一下文献【1 8 】中提到 了的一种耦合馈电的微带天线。 如图2 - 7 ( a ) 文中首先对顶部的贴片天线开了两个关于中心对称的槽，在槽 中设置了四个开关，通过这四个开关的通断可以调节天线分别谐振到不同的频率 上。但是顶部贴片不同的谐振频率点就会带来新的天线匹配的问题，于是作者又 设计了如下的可调节的馈电网络来保证天线匹配到最佳位置。图2 7 ( b ) 中，通 过两个m s 开关控制馈线的长度来实现了天线的匹配问题的优化。 2 2 2 2 方向图可重构 方向图可重构天线可以适时改变方向图，而工作频率保持不变的天线。要实 现波束控制，可以通过改变天线阵相邻元的电流相位来完成。利用m e m s 开关、 光子带隙即p b g 结构等，实现天线的波束控制，可以避免使用传统移相器的缺 点，使天线更容易控制。 p r b h - b j l ”州 图2 8 n j 霞构单臂矩形螺旋天线的俯视图和侧视图 日前在方向图可重构方面的研究大多仍然基于传统的相控阵天线理论。 第二章微带可重构天线基本理论 b e l m a 阳n 等人采用多辐射单元，将传统移相器采用光子禁带结构伊b g ，也称为 电磁禁带结构( e b g ) ) 来实现【1 9 1 。j h s c h a 妇f h e r 等人将反射式张角槽天线排成阵列， 通过实时改变反射槽底部反射点的位置来改变各单元的相位关系【2 0 1 。j c c h i a o 等人用m e m s 开关实现相控阵传输型波束形成孔径来实现方向图重构【2 1 1 。这些 天线的基本思想依然是基于相控阵天线理论。 另外，c h 铋gw b nj u n 等人设计了一种使用了r f m e m s 开关的可重构扫描 波束单臂螺旋天线瞄】，如图2 8 所示，天线单元中的螺旋部分是由许多条导线构 成的，这些导线是由沿着螺旋重要位置上的四个r f m s 开关( s 1 s 4 ) 互相连接 的，从而把螺旋分成五个部分。开关的位置是由天线工作频率上最佳的轴比和增 益值所确定的。通过控制这些开关的闭合，螺旋的整体臂长将会改变，因此波束 的辐射方向将改变，从而实现天线的可重构特性。 除此之外，也有人将分形天线引入到可重构天线研究中【2 3 1 ，根据分形天线的 自相似性，在分形天线口径的适当位置放置砸m s 开关，通过调节开关状态， 可以实现天线方向图重构。 2 2 2 3 极化可重构 微带天线只要稍微改变馈电位置等就可以实现各种极化的可重构。极化可重 构天线的实现方法很多。一般来说，分为三种单馈法、多馈法和多元发。这三种 实现方式产生的机理不同，各有利弊。 单馈法是基于空腔模型理论，利用简并模分离元产生两个辐射正交极化的简 并模，适合于各种形状的贴片天线。一般可以通过引入几个围绕等实现，比如说 切角、表面开槽、加载调谐枝节等方式。单馈法的优点就是无需外加的相移网络 和功率分配器、结合简单、成本低比较适合小型化的天线，但是单馈电法所设计 的天线一般带宽较窄，极化性能较差。多馈法是通过设置多个馈电点，有馈电网 络来保证圆极化的工作条件。一般可采用t 形分支或3 d b 电桥等馈电网络。多 馈法实现的前提就是精心设计馈电网络，因为馈电网络一般较复杂，天线尺寸较 大。但是多馈法可提高驻波比带宽、圆极化带宽、抑制交叉极化、提高轴比等。 多元法是使用多个线极化辐射单元，原理与多馈电点的相似。不同的是多元发将 每一个馈电点分别对一个线极化辐射源馈电。多元法常用于天线阵，一般有并馈 和串馈方式的多元组合都看成是天线阵。多元法的实现过程需要注意单元天线位 置的合理安排。多元法的缺点就是结构较复杂、成本高、尺寸大。但是它除了具 有多馈法的优点之外还有一个优点就是增益较高。 如文献【2 4 】中提高了一种单馈点的正方形贴片开槽天线，如图2 9 。通过控制 二极管的开关状态改变贴片上两个相互正交槽的长度，结果实现了天线的左右旋 第二章微带可重构天线基本理论 圆极化的可重构。 图2 9 可重构圆极化微带天线的结构示意图 文献【2 习中介绍了一种通过双馈法实现的极化可重构天线。图2 1 0 为天线馈 电网络的结构，通过控制图中灰色的八个开关天线可以重构到左右旋圆极化上。 图2 1 0 左右旋圆极化可重构天线的馈电网络示意图 2 2 2 4 多种方式同时重构 多种方式同时可重构的天线因为要保证在某种方式可重构的时候另一种方 式的稳定性，所以其实现起来比较复杂，设计的时候需要考虑问题比较多。目前 已有一些基本的成果。比如说s y m e o nn i k o l u 【2 6 】等人设计的频率和方向图两重 可重构天线，通过在接地板的圆环缝隙上加载p 烈二极管改变天线的方向图，然 后再通过重构匹配网络实现了天线的频率可重构。还有f 蚰y 蚰g 【2 7 】等人设计的 1 4 第二章微带可重构天线基本理论 双频双极化可重构天线，通过两组开关实现了两种方式的同时可重构。 文献【2 8 1 如图2 】1 介绍了一种双馈法实现的基于方环缝隙结构的双频双极化 可重构天线的设计过程。文中作者利用双馈点法通过精心设计馈电网络的结构实 现了左右旋圆极化的可重构，又通过在方环外面再加上几个环，通过调整各个环 的大小和方环中心距耦合臂距离，使天线谐振在不同的频率上。 ( a )背面图 ( b ) r h c p 结构正面图( c ) l h c p 结构正面图 图2 - l l双频双极化天线正、背面结构图 多种方式可重构的天线必将成为可重构天线设计的重点，因为它可以在不增 加天线体积的情况下成倍的增加天线可重配置的数量，是天线小型化一个很直接 的途径。 第三章免疫算法及m a l l a b 介绍 第三章免疫算法及m a t l a b 介绍 目前，智能计算方法的研究和应用已经成为人工智能领域的研究热点。基于 各种生物结构和行为乃至自然显现和过程，人们从不同角度和侧面出发，对生物 智能、物质现象及其规律进行模拟，相继提出了许多能够有效求解复杂问题的智 能计算方法，其中具有代表性的智能计算方法有、模糊系统、人工神经网络、模 拟退火、遗传算法、人工免疫算法等。与其他的智能计算方法相比较，人工免疫 算法( 舢s ) 的研究起步较晚，其发展历史并不长，f a 肌e r 等于1 9 8 6 年构造了 一个基于免疫网络学免疫系统的动态模型，并探讨了免疫系统与其他人工智能的 区别和联系。1 9 9 6 年1 2 月，基于免疫系统的国际专题讨论会首次在日本举行， “人工免疫系统”的概念才正式被提出。随后，免疫系统进入了快速发展的兴盛 时期成为智能算法研究领域的研究热点。免疫算法分为三种：免疫遗传算法、免 疫规划和免疫策略，其中免疫遗传算法出现较早研究也相对成熟【2 9 3 0 】。本文所用 到的就是免疫遗传算法，为了说明的简洁明了，如果未加特殊说明本文所提到的 免疫算法都是指免疫遗传算法。下面我们重点介绍一下免疫遗传算法的原理及应 用。 3 1 免疫算法介绍 免疫算法与遗传算法有着很多的相似之处，一般认为免疫算法是基于遗传算 法而发展起来的，免疫算法是对遗传算法的改进。所以我们这里首先着重介绍一 下遗传算法。 3 1 1 遗传算法 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t l l r i l s ，g a ) 是模拟达尔文生物进化论的自然选择和 遗传学机理的生物进化过程的计算模型，是一种通过模拟自然进化过程搜索最优 解的方法。它借鉴生物界自然选择和自然遗传机制，是一种随机、高度并行、自 适应的优化算法。遗传算法是一种多学科结合与渗透的产物，目前已经发展成为 一种自组织、自适应的综合技术【3 。 1 6 第三章免疫算法及m 棚a b 介绍 3 1 1 1 遗传算法基本原理及流程 生物进化论中用适应度来度量某个物种对于其生存环境的适应程度，对生存 环境适应度较高的个体将会有更多的繁殖机会，在遗传算法中我们用适应度来度 量某个值在中种群中接近最有解的程度，程 度较高的个体遗传到下一代的概率就大。与 生物的进化是一代一代的相似，遗传算法也 是一个反复迭代的过程，一个初始化种群经 过一代遗传算法后进入下一代，成为下一代 种群，这些群体经过不断的遗传和进化操作， 并且每次都按照优胜劣汰的原则将适应度较 高的个体以更大的一会遗传到下一代，最后 得到一个适应度最好的个体，作为优化过程 的最优解【3 2 1 。 生物进化的过程主要是通过染色体的克 隆和染色体之间的交叉、变异来完成的。与 此对应，遗传算法中最有解的寻找过程也分 为以下三个主要的方面： 1 ) 克隆：这个过程根据个体的适应度， 按照一定的规则和方法，从当前一代 的种群中选出一些优良的个体，进行 克隆复制。 2 ) 交叉：也成为重组，以某种概率( 交 图3 1 遗传算法流程图 叉概率) 将从克隆复制后的种群中选出来的一些个体随机的搭配成对， 对每一对个体以某种规则或方法交换他们之间的部分遗传基因。 3 ) 变异：以某种概率( 变异概率) 从交叉后的中群中选出一些个体，以某 种方法和规则改变其中一个或多个染色体的值。 经过这三步之后，得到的种群作为下一代遗传操作的初始种群，这样一直迭 代下去，直到找到最优解为止。图3 - l 为遗传算法的具体流程图。 3 1 1 2 遗传算法计算过程 下面以一个具体的求最值为例，说明遗传算法的具体运算过程： 例：求解函数z = x 2 一y 2 ，x 、y ( 0 3 2 ) ，z 的最大值。 第三章免疫算法及m 枷a b 介绍 第一步：二进制( 染色体) 化 首先随机给出四个随机的染色体序列，序列长度为1 0 ，序列长度的前五位 代表x 转换为二进制的值，后五位代表y 准换为二进制的值如下： 表3 1 遗传算法初始化染色体 个体相应二进制相应十进制适应度绝对值适应度相对贡 x yx ，y 献 4 l o l 0 0 0 0 1 0 l2 0 ，53 7 50 2 7 马 o l l l 01 1 1 0 01 4 ，2 8o0 c i l l l o l0 l o l 02 9 ，1 07 4 lo 5 3 b 1 0 l o o0 l o l l2 0 ，1 l2 7 9o 2 合计 1 3 9 5l 第二步：选择 这步中首先要计算适应度总和，但是在计算适应度之前，我们必须确定适应 度函数，一般来讲对于本地适应度函数应该就是z = x 2 一y 2 ，但是根据实际情况， 我们知道该函数的最大值应该是正数。所以，我们将计算所得z 值为负的个体的 适应度记为0 ( 比如个体属的值) 。正的值保持不变。最后得到如表3 1 中第4 列的适应度