资源描述：
《变形螺旋天线的自动设计》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。
1、第16卷 第5期强激光与粒子束Vol.16,No.52004年5月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSMay,2004文章编号:100124322(2004)0520636205X变形螺旋天线的自动设计陈 星, 黄卡玛, 闫丽萍, 赵 翔(四川大学电子信息学院,四川成都610064) 摘 要:利用优化算法进行天线的自动设计是现代天线研究的一个重要趋势。采用NEC(NumericalElectromagneticsCode)天线数值计算程序和遗传算法,结合并行计算技术,实现了对螺旋天线的自动设计。在轴向模辐射,螺旋轴长80cm内和频率为600MHz的条件下,设计了
2、增益高达12.68dB的均匀螺旋天线,比传统设计方法高3.28dB;在400～800MHz的频带内,对变形螺旋天线之一的锥削螺旋天线做了高增益设计,平均增益达12.28dB;对锥削螺旋2圆锥喇叭天线进行了优化设计,得到了比普通螺旋天线更佳的辐射性能。这些设计结果都是传统天线设计方法难以完成的,表明自动设计具有比传统天线设计方法更大的灵活性和更强的设计能力。 关键词:螺旋天线; 并行遗传算法;NEC; 自动设计 中图分类号:TN82文献标识码:A[1～3] 螺旋天线作为一类行波天线,是Kraus在20世纪40年代发明的,由于它具有结构简单,易实现圆极化、频带较宽等优点而得到广泛应用。
3、传统的天线设计是建立在简化或理想化的天线结构模型,或者工程经验公式的基础上,难以根据实际天线结构和环境,做到最优设计。同时较依赖设计者的经验,通常只对如均匀螺旋天线等较简单天线结构有效,对一些较复杂天线结构,如锥削螺旋天线,传统天线设计方法难以做到精确和[4]高效的设计。近年来,随着计算机性能的提高,天线数值计算技术和现代优化算法的发展,利用计算机实现天线的自动设计得到了重视和研究。它采用矩量法、有限元(FEM)或有限时域差分(FDTD)等数值计算方法计算天线的增益和电压驻波系数等性能参数,利用遗传算法和神经网格等现代优化算法,根据对天线的性能要求,实现对天线结构的计算机辅助设计。本文将
4、研究采用NEC(NumericalElectromagneticsCode)天线数值计算程序和遗传算法,结合并行计算技术,以高增益和宽带为设计目标,实现对均匀和变形螺旋天线的自动设计。1NEC和并行遗传算法简介NEC是一类著名的天线数值计算软件,它首先由位于美国加利福尼亚州的LawerenceLivermore实验室在美国海军和空军的资助下,于20世纪80年代初期编写的。它以细线分段的方式模拟实际天线的结构,用矩量法计算天线的电流分布,进而得到天线的各种辐射性能参数,自问世以来得到了广泛应用,计算的准确性和可[5,6]靠性为众多使用者和研究文献所证实。目前,NEC有NEC2,MiniNE
5、C,NEC4等多种版本,本文的计算采用2003年4月面世的一个NEC2最新版本“4NEC2V5.3”。 遗传算法是美国密歇根大学Holland教授模拟生物进化方式而提出的一种优化算法,具有搜索效率高、能够全局寻优和通用性强等特点。遗传算法自出现后,一直是国内外学术界研究的一个热点,在科学研究、工程计算和企业经营等诸多领域得到广泛应用。它效仿生物的进化与遗传,根据“生存竞争”和“优胜劣汰”的原则,[7,8]借助复制、交换、突变等操作,使所要解决的问题从初始解一步步地逼近最优解。 由于遗传算法的搜索不依赖于梯度信息和能全局寻优,非常适用于天线设计这类复杂和非线性问题。2 螺旋天线的自动设
6、计原理 螺旋天线是一种弹簧形结构的行波天线,通常一端接有限或无限大的接地板。其结构可用螺旋直径(D)、螺距(s)、圈数(N)、导线截面半径(Rw)、天线轴长(L)和接地板半径(Rg)等几何参数描述(如图1所示)。 螺旋天线的最大辐射方向有沿螺旋轴线的轴向模和垂直于轴线的法向模两种形式。对螺旋直径D不变[3,4]的均匀螺旋天线,实现轴向模辐射的工程经验公式为X收稿日期:2003206216;修订日期:2003212217基金项目:国家863计划项目资助课题;杰出青年基金资助课题(60125102)作者简介:陈 星(1970—),男,副教授,主要研究方向为微波和电磁场数值计算;E2mai
7、l:xingc@263.net。©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.第5期 陈 星等:变形螺旋天线的自动设计637(3/4)λ≤πD≤(4/3)λ(1) 传统螺旋天线设计主要依据一些工程经验公式,如对轴向模均匀[3,4]螺旋天线,一个简单的设计公式为D=λ/π,s=0.25λ,L=Ns,Rg=0.5λ(2) 公
