基于空间映射算法的天线优化设计

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1、硕士论文基于空间映射算法的天线优化设计1绪论1．1研究背景与意义现代无线通信技术方兴未艾，物联网技术、第四代移动通信技术(4G)等诸多技术的发展备受瞩目，天线作为无线通信系统的关键部件，一直以来是研究的焦点和热点。面对日益增长的、各式各样的无线通信需求，如何快速、高效的设计出满足性能指标要求的天线成为摆在人们面前的迫切需要解决的一项重要课题。信息时代下，计算机技术取得了广泛而深入的应用，在微波射频领域出现了一批优秀的商业电磁仿真软件，从而使得天线的优化设计工作有了跨越式的发展。商业电磁仿真软件成

2、为微波射频工程师手中必不可少的辅助设计工具，它们的仿真计算结果与实物吻合度高，具有重大的工程指导意义，从而使得设计者们在不制作实物的情况下能够准确把握设计模型的真实特性。然而，计算结果精确的全波电磁仿真软件所需的时间成本巨大，此外全波电磁仿真软件本身只是仿真工具而不是设计工具，因此仿真工具需要与其它优化设计技术相结合才能展现出其在天线优化设计工作中的强大威力。一般的商用电磁仿真软件在能够进行模型仿真的同时也内置了一些优化和参数扫描工具。设计者在使用软件时往往首先根据理论计算或者实际经验得到天线模

3、型的初始设计值，然后利用这些优化和参数扫描工具对天线初始结构参数进行慢慢调节。这种在全波分析软件中进行直接优化设计的方法时间成本高昂，效率低，尤其是在面对复杂的天线结构或者天线的设计参数繁多的情况时，最后难以得到满足天线性能设计要求的设计参数。本文中使用空间映射算法结合商业全波电磁仿真软件对天线进行优化设计。空间映射算法是一种高效的优化方法，与其它的传统的优化方法所不同的是，它不对全波电磁仿真中的模型进行直接优化，而是将优化工作转移到与全波电磁仿真的模型相关的代理模型中去。空间映射算法中将精确而

4、耗时的模型称为精细模型，精细模型能够全面而精准的代表实物的真实特性；将粗糙而快速的模型成为粗糙模型，粗模型仅仅部分的代表实物的真实特性。通过构建两种模型的映射关系，而创建精细模型的代理模型(映射关系校正后的粗糙模型)，在代理模型中对精细模型的最优解作出预测，在精细模型中对预测值进行验证，如果精细模型中的验证响应不满足设计要求，则根据精细模型响应更新映射关系，从而更新代理模型，这样更新后的代理模型会产生新的精细模型预测值，重复以上过程直至满足最终设计要求。空间映射算法的这种新颖的优化方式，使得天线

5、的优化设计者能够经过最少的精细模型的仿真次数，高效、快速的得到满足天线设计要求的参数设计值。11绪论硕士论文微带天线和波导缝隙天线是两种常用的天线结构，本文中利用空间映射算法对以上两种天线进行了高效的优化设计。现代无线通信需求持续旺盛，天线的复杂度和性能要求也越来越高，新天线类型也不断涌现，相信空间映射算法必将在天线优化设计领域中取得更深入和广泛的应用。1．2研究历史与现状几十年来，工程师们一直利用各种优化技术对各种工程领域的部件、系统进行优化。现代微波射频器件和系统的性能要求和结构的复杂程度都

6、越来越高，优化也日益受到人们的重视。近些年来，伴随着计算机技术的迅猛发展，计算机辅助设计(CAD)工具已经广泛的应用于微波射频领域。基于电路理论的仿真工具，仿真快速，但是结果可信度低；全波电磁场的仿真工具，结果精确，但是仿真非常耗时，如果在全波软件中直接用传统方法优化，其时间代价往往是不可接受的，并且面对复杂问题时往往不能得出满意的设计值。因此能够与CAD工具有效结合的新的优化方法成为迫切而现实的需要。在以上情形下，加拿大学者Bandler等人于1994年提出了原始空间映射算法(OSM)【l】，

7、该方法一经提出，便以巧妙的构思和优异的性能表现吸引了众多学者的关注和研究，到目前已经有多种形式的空间映射算法被提出，并被广泛的应用于微波射频领域。虽然不同种类的空间映射算法具体的实现过程是不一样的，但是它们的主要思想是相通的，那就是：通过空间映射关系构建精细模型的代理模型，代理模型对精细模型的设计值作出预测，精细模型对预测值进行验证，并反过来更新代理模型，迭代上述过程，直到满足最终设计要求。原始空间映射算法发表于文献[1]，在这篇具有开创意义的文献中，作者提出了仿真精确但耗时的模型为精细模型，仿

8、真快速但粗糙的模型为粗糙模型，两种模型都基于同一物理现象，因此两种模型的设计变量之间存在某种设计关系，称之为空间映射关系，利用空间映射关系可以进行高效的优化设计。原始空间映射算法假定映射关系是线性的，此时的代理模型为线性映射关系校正后的粗糙模型。渐进空间映射算法(ASM)【2卅对原始空间映射算法进行了改进，渐进空间映射算法的映射建立过程不需要前期复杂的准备工作，并且映射关系不再局限于线性映射。置信渐进空间映射算法(TRAsM)【5】利用置信策略【6】来增加算法的稳定性。参数提取(PE)过程是建立