（通信与信息系统专业论文）基于粒子群算法的宽带天线匹配网络研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘姜 在通信领域的短波和超短波波段，随着自适应快速跳频、选频等先进技 术的广泛应用，迫切需要性能优良的宽带天线。使用天线宽带匹配网络，是 实现天线宽频带特性的一种有效技术手段。只有当天线与设备的输入端和输 出端完全匹配的情况下，才能获得最大的传输效率和良好的通信质量。研究 一种有效可靠的设计天线宽带匹配网络的方法是当今的一个热点问题。 本文首先介绍了国内外的一些研究现状，以及研究目的与意义。然后介 绍了天线的宽带技术和天线的宽带性能指标，进而论述了天线的宽带匹配网 络的作用和常见结构，对目前经常使用的各种天线匹配网络的设计方法进行 了分析。然后对粒子群算法的原理，参数，数学模型等进行了介绍，接着简 单分析了粒子群算法与其他进化算法的异同与优缺点，尤其是与遗传算法的 异同与优缺点。接着介绍了一种改进型的粒子群算法。最后，本文将改进型 的粒子群算法应用于天线匹配网络设计中，提出一种设计天线匹配网络的方 法，并给出了设计实例。 本文的主要工作集中于天线匹配网络设计方法的研究。通过对现有天线 匹配网络设计方法优缺点的分析基础上，本文提出了设计天线宽带匹配网络 的新方法。这种方法基于一种改进型粒子群算法实现，这种算法采用操作简 单的速度位移模型，在搜索过程中引入交叉因子。本文详细论述了这种方法 如何应用于天线匹配网络设计的方法步骤。设计实例说明用该方法可以设计 出频带宽、结构简单的天线宽带匹配网络。并且通过与基于标准粒子群算法 和遗传算法的天线匹配网络设计方法进行了比较，证明了可以一定程度上跳 出局部最优值的吸引，实现全局最优，设计出更好的天线匹配网络。此方法 可广泛用于其他天线宽带匹配网络的设计。 关键词：天线；宽带匹配；粒子群算法；交叉因子 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ha d a p t i v ef r e q u e n c yh o p p i n gf a s t ，f r e q u e n te l e c t i o n sa n do t h e ra d v a n c e d t e c h n o l o g i e sh a v eb e e nw i d e l yu s e di nt h es h o r tw a v ea n du l t r as h o r tw a v e c o m m u n i c a t i o nb a n d s ，t h e r ei sa nu r g e n tn e e df o rh i g h - p e r f o r m a n c eb r o a d b a n d a n t e n n a s t h eu s eo fb r o a d b a n da n t e n n am a t c h i n gn e t w o r ki sa ne f f e c t i v em e t h o d w h i c hc a nr e a l i z et h eb r o a d b a n dc h a r a c t e r i s t i c s o n l yw h e nt h ea n t e n n aa n dt h e e q u i p m e n tp e r f e c t l ym a t c h e d ，w ec a ng e tt h em a x i m a lt r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c ya n d l l i g hc o m m u n i c a t i o nq u a l i t y r e s e a r c h i n ga ne f f e c t i v ea n dr e l i a b l em e t h o do f d e s i g n i n gb r o a d b a n da n t e n n am a t c h i n gn e t w o r k si sah o ti s s u et o d a y i nt h i sp a p e r ，t h ep r e s e n tr e s e a r c hs i t u a t i o n sa n dt h er e s e a r c hp u r p o s e sa n d s i g n i f i c a n c e i si n t r o d u c e d f i r s t l y a n dw ei n t r o d u c e b r o a d b a n da n t e n n a s t e c h n o l o g ya n dt h eb r o a d b a n dp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r s ，t h e nd i s c u s s e st h ef u n c t i o n a n dc o m m o ns t r u c t u r e so fb r o a d b a n da n t e n n am a t c h i n gn e t w o r ko fa n t e n n a m a t c h i n gn e t w o r k t h e nt h ep r i n c i p l e 、p a r a m e t e r sa n dm a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h e s t a n d a r dp a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o na l g o r i t h ma r ei n t r o d u c e d ，a n da n a l y z et h e d i f f e r e n c ea n dr e l a t i o n i n c l u d i n ga d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e sb e t w e e nt h e p a r t i c l e s w a r m o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m a n do t h e r e v o l u t i o n a r ya l g o r i t h m s ， e s p e c i a l l yb e t w e e nt h ep a r t i c l es w a r ma l g o r i t h ma n dg e n e t i ca l g o r i t h m t h e nw e i n t r o d u c eam o d i f i e dp a r t i c l es w a l t na l g o r i t h m f i n a l l y ，t h em o d i f i e dp a r t i c l e s w a r mo p t i m i z a t i o na l g o r i t h mi sa p p l i e dt ot h ed e s i g no fa n t e n n am a t c h i n g n e t w o r k , a n dan e wd e s i g nm e t h o do fa n t e n n am a t c h i n gn e t w o r ki sg i v e n ，a sw e l l a ss o m ed e s i g ne x a m p l e s t h em a i nw o r ko ft h i sa r t i c l ei sr e s e a r c h i n gt h ea n t e n n am a t c h i n gn e t w o r k a f t e ra n a l y z i n gt h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h ea n t e n n am a t c h i n g n e t w o r kd e s i g nm e t h o d ，t h i sp a p e rp r e s e n t san e wd e s i g nm e t h o do fb r o a d b a n d a n t e n n am a t c h i n gn e t w o r k t h i sm e t h o di sb a s e do nam o d i f i e dp a r t i c l es w a r m 哈尔滨工程大学硕士学位论文 o p t i m i z a t i o na l g o r i t h mw h i c ha d o p ts i m p l ev e l o c i t y - d i s p l a c e m e n tm o d e la n d i n s e r tt h eg e n e t i ch y b r i dg c n ei nt h es e a r c hp r o c e s s t h i sa r t i c l ed i s c u s s e st h e s t e p so ft h i sm e t h o dw h i c hi sa p p l i e dt ot h ea n t e n n am a t c h i n gn e t w o r kd e s i g n d e t a i l e d d e s i g ne x a m p l e ss h o wt h a tt h em e t h o dc a l l b e u s e dt od e s i g nt h e b r o a d b a n dm a t c h i n gn e t w o r k sw h i c hh a v es i m p l es t m c t u r e t h ec o m p a r er e s u l t s o ft h eb r o a d b a n dm a t c h i n gn e t w o r kd e s i g nm e t h o d sw h i c hr e s p e c t i v e l yb a s e do n g e n e t i ca l g o r i t h m 、s t a n d a r dp a r t i c l e s w a r l r lo p t i m i z a t i o na l g o r i t h ma n dt h e m o d i f i e dp a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o na l g o r i t h mc a ns h o wt h a tt h i sn e wm e t h o d c a nr e d u c et h ea t t r a c t i o no fl o c a lo p t i m i z a t i o nv a l u e ，a n dh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so f g l o b a lo p t i m i z a t i o n ，c a r ld e s i g nb e t t e ra n t e n n am a t c h i n gn e t w o r k t h i sm e t h o d a l s oc a nb ew i d e l yu s e di no t h e ra n t e n n ab r o a d b a n dm a t c h i n gn e t w o r k sd e s i g n k e yw o r d s ：a n t e n n a ；b r o a d b a n dm a t c h i n gn e t w o r k ；p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n a l g o r i t h m ；g e n e t i ch y b r i dg e n e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用 己在文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 i。z ， 作者( 签字) ： 如l 寿三 日期：2a d q年3 月f 、日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 啦授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ： 夕tl 屯互导师( 签字) 猫 日期： d o c 7 年；月6 日l 神呵年3 月6 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景 通信、广播、电视、导航等无线电设备，都是依靠无线电波来工作的， 都需要有无线电波的发射和接收。而无线电波的发射和接收，则是依靠天 线来完成的，天线是发射和接收电磁波的设备，或者说，天线是一种导行 波与自由空间波之间的转换器件或换能器。天线是无线通信系统中非常重 要的一个组成部分。一个结构合理，性能优良的天线系统可以极大地提高 无线系统的性能。 近几十年来，随着科学技术的飞速发展，人们的生活日益现代化和社 会化，对无线通信技术提出了更高的要求。 在军事领域中，为了实现保密通信，消除干扰，广泛使用多频段、多 功能电台和宽带跳频电台。跳频速率越来越高，跳频范围也越来越广，原 有的窄带天线已无法满足要求。为了解决上述问题，其有效的解决办法就 是研制高性能、宽频带天线，以减少载体上天线的数目。 在民用通信系统中，其信道容量不断扩充、传输速率不断提高、服务 方式也日渐灵活。与此相适应，通信设备日趋宽带化，台站设施也由最初 的点对点、一点对多点发展到移动和全球漫游。而天线作为移动通信系统 的发射和接收部件，其宽带化的研究显然有着重要的现实意义。 1 2 国内外现状 纵观国内外的天线研究研究现状发现，天线宽带技术的研究涉及面很 宽，为了实现宽带化，可以从原理上、结构上、材料上，或者从相应的技 术措施上来改进天线的性能，增加天线的带宽。天线宽带化技术的研究主 要集中在几个方面：1 、使用宽带天线；2 、天线的加载技术；3 、天线的宽 带匹配网络，希望天线达到的技术指标为1 ：单鞭天线的天线尺寸 7 2 的天线就称为宽带天线。综合各种宽带天线，目前天线的宽带 技术的研究通常有集中在以下几个方面叫1 ： ( 1 ) 旋转对称结构的宽带振子天线的研究。如圆锥振子、笼形振子、 套筒振子等。对于电振子天线，为了展宽频带，通常使振子具有较大的截 面，即降低振子的长度直径比，这种方法对改善工作频带内的阻抗特性有 明显的效果，但是这些宽带天线的尺寸往往都比较大。典型的这类天线有 双锥天线、盘锥天线、套筒天线以及由此而衍生的一些就形天线等。在v h f 和u h f 频段，上述天线的研究应用十分广泛。 ( 2 ) 机电结合方面的研究。研究内容主要包括伸缩式天线，可重构天 线等等。天线从结构上，可以采用机电结合方法，精心设计天线结构，使 之适应宽频带工作。如伸缩式短波、超短波天线，天线的长度通过机电控 制的办法始终保持在串联谐振的长度上，从而可在相当宽的频带内实现良 好的方向性和阻抗匹配性。该方法一方面行之有效且易于实现，另一方面 由于是机械伸缩，因而使用范围受到一定的限制。 ( 3 ) 宽带行波天线的研究。宽带行波天线一般有两种实现形式，一种 就是设计天线结构时使其有很强的辐射能力和足够的电长度( 如在几个工 作波长以上) ，辐射作用使沿线电流呈现很大的衰落，即使是终端开路反 射也很小。另一种是对天线实施阻性加载，吸收天线与自由空间失配的反 射波。属于这种工作机理的天线又可分为集总加载和分布加载两种形式， 目前普遍使用的是集总加载天线，如a l t s h u l e r 天线等。 ( 4 ) 非频变天线的研究。若使天线的结构按任意比或特定比变换后仍 与自身相似，即可认为或近似认为天线的电性能与频率无关，基于这样的 机理而实现的天线称作非频变天线，常用的有等角螺旋天线、对数周期天 线等。 ( 5 ) 有源天线的研究。有源天线是指将无源天线和有源电路相结合， 2 哈尔滨- t 程大学硕士学位论文 使无源天线成为有源电路的输入部分，而有源电路的输出端成为整个天线 的终端，二者均为天线系统不可分割的部分。有源天线与无源天线相比具 有小型化、宽频带、易于实现电子控制等优点，但同时也存在一些缺点p 1 。 主要有以下几点：1 由于有源网络的引入，使天线不具有互易性，因此，天 线不能同时用作发射和接收。2 由于有源电路功率容量的限制，所以目前有 源天线多用作接收天线。3 有源天线存在较大的噪声。有源天线不仅放大了 从无源天线上接收到的信号与外部噪声，而且有源电路本身也是一个噪声 源，产生附加噪声。4 有源天线的另一问题是存在非线性失真。 除了以上几种研究方面外，近年来一些其他学科的研究成果相继被引 入天线研究之中，得到了展宽天线频带的新技术。其中包括利用天线的多 模工作方式、组合复用技术、分形技术、光子带隙技术等展宽天线带宽。 分形( f r a e t a l ) 概念由美籍法国数学家m a n d e l b r o t 于1 9 7 5 年提出眄1 。分形具 有无限精细的结构，其局部形状一般与整体相似，可以用非常简单的方法 定义并通过递归、迭代产生。发展到今天，分形理论已经成为一门交叉学 科，已经渗透到工程和科学的各个领域。上世纪九十年代，在天线设计中 引入了分形的概念7 1 。目前分形在窄带、多带天线以及天线阵的设计方面 有广泛应用，分形天线己成为天线研究领域的一个重要分支，其类型包括 分形线天线、分形平面天线以及其他立体结构等睁1 。图1 1 是典型的k o c h 分 形天线和s i e r p i n s k i 分形天线。 ( a ) k o c h 分形 图1 1 分形天线 哈尔滨工程大学硕士学位论文 运用分形图形的自相似特性和可填充特性可以使分形天线实现多频段 乃至宽带特性以及电小特性。分形天线的缺点就是它的极化特性将随着迭 代次数的增加急剧恶化，并且在天线制造、架设上存在困难。 把光子晶体中的光子带隙( p b g ：p h o t o n i cb a n dg a p ) 引入电磁领域得 到电磁带隙( e b g ) 。电磁带隙是一种周期结构，其最显著的特点是具有 带阻特性，可以在一维或多维方向上抑制频率落在带隙内的电磁波传播。 e b g 结构运用于天线中可以达到扩展天线带宽、抑制高阶模、提高天线增 益等作用，同时在地面上布置e b g 结构可以形成高阻抗表面，达到磁壁的作 用u 2 1 。图1 2 示出了一种具有e b g 结构的天线。 图1 2e b g 结构的天线 2 0 世纪6 0 年代开始将超导技术应用于天线领域，特别是在上世纪九十 年代发表了大量有关高温超导( h t s ) 天线研究的论文乒”1 。现在h t s 天线已 经取得很好的成绩。1 9 9 6 年报道了在7 9 k 温度下可实现电长度仅2 3 8 ，辐 射效率为7 4 超导天线；1 9 9 9 年报道了工作频带从1 8 g h z 到1 5 t h z ( 厶无= 8 3 ) 的超导小型化宽带天线。但是h t s 天线需要配备昂贵的制冷设 备，这限制了它的使用。 1 2 2 天线加载 天线加载是指将电抗元件、阻抗元件、介质材料或有源器件置于天线 的某一部分之中，其目的或者是为了缩小天线尺寸，或者是为了提高效率， 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 或者是为了增大带宽。研究宽带加载也是实现天线宽带化的一个重要内容。 根据天线加载元件的不同，可以分为无源加载和有源加载，串联加载和并 联加载等引。根据加载元件的有源与否，可以分为无源加载和有源加载。有 源加载天线是指将有源电路加载到无源天线中，使天线具备宽频带性能。 有源加载后的天线实际上就是一种有源天线，它具有有源天线的优缺点。 相比之下，天线的无源加载很早就得到了学者们的重视。t t w u 和 r w p k i n g 对加载行波天线进行了较深入的研究明，解决了天线加载的一 个重要问题：加载阻抗按什么规律变化是最佳的，或者说按何种规律加载 可以使天线中的电流反射最小，尽可能的呈行波分布。他们通过对加载天 线表面的扩展边界条件建立电流微分方程，并进行求解，得到了无反射的 对称偶极子天线的最佳加载阻抗，可以使加载天线的输入阻抗和方向图都 具有优良的宽带特性。在实际应用中，采用连续加载结构，如用薄膜蒸发 工艺，可以实现加载阻抗按上述规律变化。 在各种加载技术中，无源集总元件的加载是最为直接和最为简单的加 载技术，也是被较早研究的方法。最早提出采用集中加载的方法来扩展天 线带宽是在1 9 6 1 年，a l t s h u l e r 提出了在距天线1 4 波长处加载电阻嵋们，使加载 点与馈电点之间的线段上电流近似呈行波分布，并给出了加载电阻值。 a l t s h u l e r 天线具有良好的宽频带特性，但是并不能使天线的尺寸减小。 图1 3 给出了一些典型性的简单加载天线模型。 ( b ) 四单元加载单极子 ( c ) 电感加载单极予 ( d ) 电容加载偶极子 图1 3 加载天线的几种形式 哈尔滨工程大学硕士学位论文 集总元件的加载可通过在天线的适当位置接入电阻、电抗或导体来构 建。由于天线长度远小于半波长时将呈现出很强的电抗性输入阻抗，加载 可以对其进行补偿，改善天线中的电流分布，从而达到改变天线的谐振频 率或者在同样的工作频率下降低了天线的高度以及改变天线的辐射方向图 等目的。应当指出，如果加载的元件是有耗的，则将使天线的辐射效率降 低。 电阻加载天线的优点是工作频带宽，缺点是电阻吸收功率，使效率降 低，特别是对电长度较小的天线，效率仅为百分之几，如果采用r c 或r c l 混合加载，则效率将会大大提高。因此，在近年来人们对分段式集中r c l 加载线天线的研究产生浓厚兴趣。通过在天线不同位置加载不同的集中元 器件，以实现天线频带的展宽。特别是随着各种优化方法尤其是人工神经 网络和遗传算法的发展，高性能的加载天线的报道屡见不鲜。1 9 9 6 年b o a g 等在文献 2 1 】中设计了一副高1 0 9 m ，工作于2 3 0 m h z 的加载折合振子天线。 2 0 0 5 年l o r e n z om a t t i o n i 在文献 2 2 1 中报道了1 2 m 高的多模h f 天线，该天线可 以工作于2 2 0 m h z 的频率范围。 1 2 3 天线宽带匹配 当天线的结构已确定时，设计和安装无源元件组成的宽带匹配网络， 可实现或进一步改善天线的输入阻抗匹配。近年来该方面的研究逐渐为人 们所重视，并在h f 和v h f 频段已开始有所应用。 宽带匹配通过在给定的信号源和负载之间设计一个耦合网络，使其在 较宽的频带内，从信号源到负载的转移功率最大 i 2 3 - 2 6 1o 这样的网络，必须 具有一些特点，其中包括输出端与负载端需要有良好的匹配，在输入端的 反射要尽可能小，这个网络本身无耗或低耗。 图1 4 所示即为包含宽带匹配网络的模型。图中r g 为信号源内阻，z a 为 天线输入阻抗，n 表示天线宽带匹配网络，它一般是由电容、电感和理想阻 抗变换器组成的无耗互易二端口网络。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 0f ，斗，。 ) 宽带 历 匹配 网络 _ i n z u 图1 4 天线系统模型 经过多年的研究，目前宽带匹配网络的设计方法大体分为两类：解析 设计法和宽带匹配网络的计算机辅助设计( c a d ) 1 。其中解析设计法要求给 出负载的解析表达式，再进行解析设计；宽带匹配网络c a d 的方法只要求 给出负载带内一些实际频率点上的阻抗( 或导纳) 数据就能进行设计，所 需数据可以是实验测试或理论计算得到的。对于以天线为负载的匹配问题， 解析设计法是不适用的，而c a d 方法却是一种有效的方法。宽带匹配网络 c a d 技术应用于天线设计始于6 0 年代，目前已经广泛应用与天线宽带匹配 网络设计过程中。匹配网络实现的最佳传输功率增益或电压驻波比是通过 数值计算方法优化得到的。 一些设计宽带匹配网络c a d 方法相继被提出，主要包括：直接优化法、 实频数据法、预定增益倾斜补偿法、遗传算法等。其中，直接优化法是通 过在预设的网络拓扑下将增益直接表示成元件值的函数来进行优化。实频 数据法是由h e r b e r tj c a r l i n 针对直接优化法的缺陷而于1 9 7 7 年提出的，用于 解决单端匹配问题的原始实频法2 朝，通过直接的数值计算，用一个二端口 无耗网络实现任意负载与电阻性信号源之间的宽带匹配。该这种方法真正 用于天线的宽带匹配网络设计也是近年来的事2 9 3 0 1 。直接优化法和实频数 据法可以根据给定或实测的负载阻抗离散值进行网络优化设计，这对天线 宽带匹配网络设计和计算尤为适用，因为天线的阻抗往往难以用解析表示， 但可以实测得到。预定增益倾斜补偿法的本质是上述两种方法的复合，主 7 哈尔滨工程大学砍士学位论文 要用于有源的宽带匹配问题呤们。由于实频法难以计算复杂的网络结构，而且 不能处理诸如l c 元件随频率的变化问题，这使得实频法的计算能力受到影 响，为了克服这些局限性，遗传算法是比较理想的选择，作为一种在各领 域广泛应用的进化算法，遗传算法已经在天线匹配中取得了很多应用p 卜3 2 1 。 1 3 本文的研究内容 1 3 1 研究内容的提出 随着自适应快速跳频、选频等先进技术在通信领域的广泛应用，迫切 需要性能优良的宽带天线。作为实现天线宽频带特性的一种有效技术手段， 天线宽带匹配网络受到了人们的重视。在设计天线宽带匹配网络时，传统 的解析设计方法难以满足要求。近年来，一些学者研究了一些较为实用的 宽带匹配数值设计方法如：实频数据法、实频数据法与直接法相结合的方 法。但在应用时，上述设计方法存在诸如陷入局部最优，设计结果对初值 选取的依赖性较大，设计过程冗长且复杂等缺陷p 3 1 。 因此，另外一些学者提出了采用进化算法设计天线匹配网络的方法， 这些方法在一定程度上克服了以上缺点，其中包括在其他许多问题上应用 非常广泛的遗传算法，另外作为近年来在智能优化领域热门研究的粒子群 也有在天线匹配网络设计中的探讨现象。但是这两种方法都存在着一些问 题。遗传算法经常需要进行变量的二进制编码，而且选择交叉变异这些过 程也较为复杂，而且遗传算法在求解极小值问题时需完成从目标函数到适 应度函数的变换，收敛速度不如粒子群算法。但是粒子群算法在算法后期 存在着容易陷入局部最优点的现象，无法达到全局最优，而且解决有些问 题时，速度不是很快。 针对以上问题，本文致力于研究了一种新的设计天线匹配网络的设计 方法。本文研究的一种新的设计方法基于改进型粒子群算法实现。为什么 要采用这种算法，如何能够将这种改进型粒子群算法正确地应用到天线宽 带匹配网络的设计过程中，采用那些方法步骤可以具体利用这种方法实现 哈尔滨工程大学硕士学位论文 天线宽带匹配网络设计。这种基于改进型粒子群算法的天线匹配网络设计 方法与现在常用的方法有什么优缺点。以上这些都是本文主要工作所在及 其所面临的挑战。 1 3 2 论文章节安排 本文对目前的宽带天线技术和粒子群算法进行了概述的基础上，介绍 了天线匹配网络常用的设计方法，并提出基于改进型粒子群算法的设计天 线宽带匹配网络的方法，并对天线宽带匹配优化方法进行了程序开发，并 给出了实例，最后提出了进一步课题研究的思路。 全文分四个主要部分进行论述： 第l 章绪论介绍了研究工作背景、以及研究现状及发展趋势，以及主 要工作。 第2 章中首先介绍天线的主要技术指标，和天线宽带技术，然后介绍 了天线宽带匹配网络的基本概念以及其作用与结构，最后对目前天线宽带 匹配网络设计的一些常用方法进行了分析。 第3 章中首先介绍基本粒子群的原理、数学描述，算法参数，算法流 程等内容，然后介绍了标准粒子群算法，最后分析了标准粒子群算法的缺 点，介绍了一种改进型的粒子群算法，并说明了其流程。 第4 章介绍了如何将粒子群算法应用到天线宽带化技术中，并提出了 利用改进性粒子群算法设计天线宽带匹配网络的方法步骤，阐述了其设计 流程，开发了优化匹配程序，最后通过天线匹配网络的设计实例证明了这 种方法的可靠性，并与标准粒子群方法以及遗传算法进行了比较。 最后一部分是本文的总结以及对后续工作的一些建议。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章天线宽带匹配网络 2 1 天线的带宽 天线是任何无线电系统都必不可少的组件。它的功能是辐射或者接收无 线电波。它把把导电磁波转变为自由空间的无线电波( 在发射系统中) ，或 者做相反的变换( 在接收系统中) ，从而在任意两点之间实现电磁信号的传 递。发射机末级回路的高频电流经过馈线送到发射天线，发射天线的作用是 将高频电流变换成电磁波，并向规定的方向辐射出去。反之，接收天线的作 用是将来自一定方向的无线电波还原为高频电流，经过馈线送入接收机的输 入回路。由此可见，天线的作用是将高频电流转换成电磁波( 用于发射) 或 将电磁波转换成高频电流( 用于接收) 。同样一副天线，无论是用于发射还 是用于接收，天线的基本特性参量保持不变。 近几十年来，科学技术的飞速发展和人们生活日益现代化与社会化，对 电子技术的应用提出了更高的要求。例如电视、广播、通信等业务，不仅要 求高质量地传输语言、文字、图像、数据等信息，而且还要求设备宽带化、 共用化。因此，与无线电设备发展趋势相适应，宽频带天线的研究也日益活 跃，成为天线学科研究领域中的一个重要分支。 天线的宽带匹配网络作为一个重要的课题越来越受到人们的重视。下面 就首先介绍下天线的带宽相关知谢3 州1 。 2 1 1 天线的输入阻抗 天线输入端电压与输入端电流的比值定义为天线的输入阻抗，设和 ，加分别是天线输入端电压与输入端电流，则天线的输入阻抗z 拥为 矿 z 加= ( 2 1 ) li n 当输入电压与输入电流同相时，输入电阻呈纯电阻性。一般情况下输入阻 抗由电阻及电抗两部分组成，设尺加和x 加分别是天线输入阻抗的电阻部分 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 与电抗部分，则天线的输入阻抗z 胁为： z 弧= r i n 七j x 访( 2 2 ) 天线输入阻抗取决于天线的工作原艰结构尺寸、周围介质、工作环境 以及工作频率，输入电阻又包含辐射电阻和损耗电阻。接到接收机或发射机的 天线通常通过传输线进行连接，其输入阻抗等效为传输线的负载。射频系统 常用的传输线特性阻抗为5 0q 。在5 0q 特性阻抗的传输线与5 0q 的接收 机或发射机匹配的情况下，天线的输入阻抗与传输线的匹配程度直接决定了 天线能量的输入或输出的效率。因此，天线的输入阻抗对系统工程师来说非 常重要。而有些天线的输入阻抗，对馈电点处的结构又异常敏感。从理论上 精确计算天线输入阻抗是非常困难的，工程应用中一般都采用测量的方法确 定。 2 1 2 天线的电压驻波比 当天线的输入阻抗z i n 与传输线的特性阻抗z o = 5 0 q 不匹配时，便在传 输线上形成驻波。此时，馈线上同时存在入射波和反射波。在入射波和反射 波相位相同的地方，电压振幅相加为最大电压振幅圪戤，形成波腹；而在入 射波和反射波相位相反的地方电压振幅相减为最小电压振幅加，形成波 节，其它各点的振幅值则介于波腹与波节之间，这种合成波称为行驻波。反 射波电压和入射波电压幅度之比叫作反射系数。天线馈电端口的电压反射系 数，定义为 厂= 兰盟二三q z j n 十5 0 ( 2 3 ) 传输线上波腹点电压与波节点电压之比称为电压驻波比v s w r 。电压驻 波比v s w r 用来表述端口的匹配性能以及传输线上的工作状态。v s w r 越接近 于1 越好，1 表示载行波。行波成分越高，传输的效率就越高。无线通信系统 中要求其尽量小。 电压驻波比与反射系数的关系如下： v s w r = 钾 协4 ， 电压反射系数绝对值的变化范围为【01 】，电压驻波比的变化范围为 1 ) ，电压反射系数越大驻波比越大。 驻波比表明天线的阻抗与传输线阻抗的失配程度。当驻波v s w r = i 时， 系统完全匹配，工程中不太可能实现；当v s w r ，3 5 时就被认为匹配比较差。在电子战设备中，单个天线或天线阵列 的输入电压驻波比v s w r 2 5 最为常用；对于窄频带天线，其驻波特性v s w r 1 5 ；对于宽带或超宽带天线，一般要求其驻波特性v s w r 4 ( 3 - 6 ) 1 2 9 一、妒2 4 9 i ii 在使用c l e r c 的收敛因子方法时，通常取q ，= 4 1 ，从而使收敛因子 7 = 0 7 2 9 。c l e r c 在推导出收敛因了法时，不再需要最大速度限制蕊。但是 后来发现发现设定最大速度限制可以提高算法的性能。从数学上分析，惯性 权重与收敛因子这两个参数是等价的。 3 4 与其他进化算法的性能比较 粒子群算法与其他进化算法有许多相似之处。首先，粒子群算法和其它 进化算法相同，都使用“种群 概念，用于表示一组解空间中的个体集合， 然后迭代求解。大多数进化计算技术都是用同样的过程： 1 种群随机初始化； 2 对种群内的每一个个体计算适应度值( f i t n e s sv a l u e ) ； 3 种群根据适应值进行复制； 4 如果终止条件满足的话，就停止，否则转步骤2 。 作为一种十分重要的进化算法，遗传算法受到各方面的关注，并已经应 用于很多领域，这里将遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ，g a ) 作为粒子群算法 ( p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ，p s o ) 的重点比较对象。 p s o 和g a 具有很多相同点p ： 1 ) 两者都属于仿生算法。p s o 主要模拟鸟类觅食、人类认知等社会行为而 提出；g a 主要借用生物进化中“适者生存的规律。 2 ) 都属全局优化方法。在解空间都随机产生初始种群，因而算法在全局 的解空间进行搜索，且将搜索重点集中在性能高的部分。 3 ) 都属随机搜索算法。p s o 中认知项和社会项前都加有随机数；而g a 的遗传操作均属随机操作。 4 ) 隐含并行性。搜索过程是从问题解的一个集合开始的，而不是从单个 个体开始，具有隐含并行搜索特性，从而减小了陷入局部极小的可能性。并 哈尔滨工程大学硕士学位论文 且由于这种并行性彩易在并行计算机上实现，以提高算法性能和效率。 5 1 根据个体的适配信息进行搜索，因此不受函数约束条件的限制，如连 续性、可导性等。 6 ) 对高维复杂问题，往往会遇到早熟收敛和收敛性能差的缺点，都无法 保证收敛到最优点。 可以看出p s o 和g a 有很多共同之处。两者都随机初始化种群，而且都 使用适应值来评价系统，而且都根据适应值来进行一定的随机搜索。两个系 统都不是保证一定找到最优解。 但p s o 算法作一种进化计算技术，它没像g a 那样的“选择”、“交叉 、 “变异 等算子，而是每个粒子根据自身的速度变化来调整自己的位置。 k e n n e d y 和e b e r h a r t 认为p s o 算法应该是介于遗传算法和进化规划间的一种 算法。在编码方式上p s o 算法也较其它的算法简单，可以直接根据被优化问 题的进行实数编码。p s o 算法对于种群的初始化并不像g a 那样敏感，因为 整个群体并不是均匀移动的，而是每个粒子分别根据自己和同伴的经验来调 整，这也使得p s o 在许多情况下要比g a 更快的找到最优解。另外p s o 算 法中粒子可以记住先前的最好位置的。 如果将粒子所持有的最好位置也看作种群的组成部分，则粒子群的每一 步迭代都可以看作是一种弱化的选择机制。在遗传算法中，子代与父代竞争， 若子代具有更好的适应值，则子代将替换父代，而p s o 算法的进化方程式也 具有与此类似的机制，其唯一的差别在于，粒子群算法只有当粒子的当前位 置与所经历的最好位置相比具有更好的适应值时，其粒子所经历的最好位置 才会唯一地被该粒子当前的位置所替代。可见p s o 算法也隐藏着一定形式的 “选择机制。 在遗传算法中存在着交叉和变异操作，粒子群算法中虽然在表面上不具 备这样的操作，但在本质上却有相通之处。粒子群算法的速度更新方程与实 数编码的遗传算法的算术交叉算子很类似。通常，算术交叉算子由两个父代 个体的线性组合产生两个子代个体，而在p s o 算法的速度更新方程中，如果 3 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 不考虑第一项，也就是带惯性权重的速度项，就可以将方程理解成由两个父 代个体产生一个子代个体的算术交叉运算。从另一个角度上看，同样不考虑 第一项，速度更新方程也可以看作是一个变异算子，其变异的强度大小取决 于个体最好位置和全局最好位置之间的距离，可以把个体最好位置和全局最 好位置看作父代，变异就可以看作是由两个父代到子代的变异。至于前面略 去的惯性速度项，也可以理解为一种变异的形式，其变异的大小与速度相乘 的惯性因子相关，惯性因子越接近1 ，则变异强度越小；越远离1 ，则变异强 度越大。通常在进化算法的分析中，人们习惯于将每一步进化迭代理解为用 新个体代替旧个体的过程。 与遗传算法比较，主要的差别进一步总结如下： 1 ) p s o 一般采取实数编码，而不需要像g a 那样进行变量的二进制编码( 或 者采用针对实数的遗传操作) ； 2 ) p s o 算法迭代过程中不需要诸如交叉、变异等的遗传操作，而是根据 粒子的速度来决定搜索路径； 3 ) p s o 直接取目标函数本身作为适应度函数，根据目标函数值( 也就是适 应值) 进行迭代搜索，而g a 在求解极小值问题时需完成从目标函数到适应度 函数的变换； 4 ) p s o 需要调节的参数不多，尤其是算法在引入收敛因子后，完全可按 经验值设置参数即可获得较好的收敛性。而用g a 对优化问题进行寻优时， 如何选取合适的选择率、交叉率、变异率和保留率等诸多控制参数，需要根 据实际情况作多次测试和比较，算法的收敛效果在很大程度上取决于这些参 数的选取； 5 ) 两者的信息共享机制不同。在遗传算法中，各染色体间互相共享信息， 因此，整个种群比较均匀地向最优区域移动。在p s o 中，只有自身最优和全 局最优提供信息给其他的粒子，这是单向的信息流动。整个搜索更新过程是 跟随当前最优解的过程。与g a 相比，在大多数情况下，所有粒子更快地收 敛于最优解。与遗传算法相比，粒子群算法不仅可以用于一切遗传算法可以 3 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 应用的领域，而且在多数情况下比遗传算法更快地收敛至全局最优解。 另外，p s o 算法与其它进化算法另一个重要不同点在于它在进化过程中 同时保留和利用位置与速度信息，丽其它进化算法仅保留和利用位置信息。 从以上分析中看，基本p s o 算法与其他进化算法有相似之处，但同时也具备 其它算法不具备的特性，特别的是，p s o 算法同时将粒子的位置与速度模型 化，并给出它们的进化方程。 与遗传算法相同，p s o 算法目前也得到了广泛的应用，一般来说，能应 用g a 解决的问题基本上都可以用p s o 来处理，而且效率可能会更高。文献 【5 4 】中研究了p s o 算法在有噪声连续变化的环境中的性能，发现p s o 算法可 以很好的应付这样的环境。文献【5 5 】中研究了p s o 算法在约束优化问题中的 性能，发现在大多数情况下p s o 都能找到好的解决办法。在文献 5 6 】中p s o 算法用于多目标优化问题。p s o 算法还成功应用于训练人工神经网络、对人 的颤抖的分析、模糊控制器设计、车间作业调度、机器人实时路径规划、自 动目标检测、时频分析等庐 9 1 。 3 5 改进型粒子群算法 3 5 1 粒子群算法的技术缺陷 粒子群算法自提出以来，就以简单的计算形式，较少的参数设置和良好 的算法收敛性吸引了大批学者的关注。目前粒子群算法已经成为一种重要的 优化工具并成功地应用于各个领域。但是在应用的过程当中，发现粒子群算 法也有随机搜索算法比较普遍的缺陷，其中最主要的是它有时会产生早熟收 敛、收敛速度慢、全局寻优能力差等问题6 1 。 具体而言主要有缺陷如下： 首先，粒子群优化算法容易陷入局部极值点中，导致得不到全局最优解。 尤其是p s o 在求解高维复杂优化问题时，往往会遇到早熟收敛的问题。这些 早熟收敛点，有可能是局部最优点，也可能是局部最优点邻域内的一个点。 这就是说，早熟收敛并不能保证算法收敛到局部最优点。造成这种现象的原 哈尔滨工程大学硕士学位论文 因有两个原因： 一是待优化函数的性质，有许多测试函数是多峰函数、形状复杂，而粒 子群优化算法并不是从理论上严格证明收敛于任何类型函数的全局极值点， 因此对于复杂的测试函数，很可能难以得到满意的结果； 二是粒子群优化算法在运行时，由于算法的参数设计或者粒子数的选择 不当等原因，使得在计算的过程中，粒子的多样性迅速的消失，造成算法“早 熟 现象，从而导致算法不能收敛到全局极值点这两个因素总是紧密的纠缠 在一起，很难说在一个具体的问题中，到底是哪一个