超寬帶天線及陣列的大規(guī)模并行模擬與優(yōu)化研究.pdf

1、超寬帶天線是超寬帶無(wú)線系統(tǒng)中不可缺少的重要組成部分，超寬帶技術(shù)能夠廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、定位、探測(cè)及控制等領(lǐng)域，天線無(wú)疑承擔(dān)了很重要的的角色，也使得超寬帶天線及陣列成為了近年來(lái)的研究熱點(diǎn)以及超寬帶技術(shù)中的重要研究方向之一。本文的研究圍繞著超寬帶天線及陣列的快速設(shè)計(jì)方法展開。
　　在對(duì)電大尺寸的超寬帶天線及陣列進(jìn)行全波模擬時(shí)計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)、占用內(nèi)存大，甚至一臺(tái)電腦有時(shí)都無(wú)法進(jìn)行仿真，為了解決這個(gè)問題，本文基于并行自適應(yīng)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用支撐軟件框架

2、(JASMIN)研究了適用于大型并行平臺(tái)的高效并行時(shí)域有限差分(Finite-Difference Time-Domain，F(xiàn)DTD)法。首先研究了均勻網(wǎng)格并行FDTD方法及其關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)其正確性進(jìn)行了驗(yàn)證，并采用500個(gè)處理器核對(duì)144單元TEM喇叭及加脊TEM喇叭天線陣進(jìn)行了仿真計(jì)算;接著研究了漸變非均勻并行FDTD方法，可以有效解決天線及陣列結(jié)構(gòu)中存在細(xì)微結(jié)構(gòu)時(shí)均勻網(wǎng)格內(nèi)存需求和計(jì)算量大的問題，采用此并行算法在200個(gè)處理器核上模

3、擬了64單元螺旋天線陣列的輻射特性;最后，為了快速求解具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)的天線輻射問題，研究了并行旋轉(zhuǎn)對(duì)稱FDTD方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)主反射面直徑為280個(gè)波長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)卡塞格倫天線的并行計(jì)算。
　　同時(shí)超寬帶天線及陣列中涉及到的參數(shù)較多，且參數(shù)與設(shè)計(jì)目標(biāo)之間的關(guān)系是非線性的，因此有必要引入全局優(yōu)化方法對(duì)其進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，而優(yōu)化算法的性能將直接影響天線與陣列的性能以及設(shè)計(jì)所需要的時(shí)間。為了提高全局優(yōu)化算法的性能，首先研究了并行微遺傳算法(Mic

4、ro Genetic Algorithm，MGA)、并行整數(shù)編碼微分進(jìn)化策略(Differential Evolution Strategy，DES)，將粗粒度和細(xì)粒度并行MGA、整數(shù)編碼DES應(yīng)用于32元對(duì)稱線陣的方向圖綜合問題，證明了其性能優(yōu)于串行優(yōu)化算法和文獻(xiàn)中提出的DES;接著研究了基于DES和連續(xù)蟻群優(yōu)化(Continuous Ant Colony Optimization，CACO)算法的混合改進(jìn)算法—HDECACO，通過對(duì)

5、兩個(gè)典型數(shù)學(xué)函數(shù)的優(yōu)化，證明了改進(jìn)算法的高效性。
　　隨后論述了本文提出的并行全局優(yōu)化算法和HDECACO算法對(duì)超寬帶喇叭天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)。將并行全局優(yōu)化算法與三維均勻網(wǎng)格并行FDTD結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了TEM喇叭天線的自動(dòng)優(yōu)化，進(jìn)一步證明了并行MGA更能保持種群的多樣性，搜索能力更強(qiáng);為了設(shè)計(jì)出高效的反射面天線的饋源，對(duì)多模圓錐喇叭天線進(jìn)行了研究，提出了旋轉(zhuǎn)對(duì)稱FDTD算法與全局優(yōu)化算法相結(jié)合的自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并應(yīng)用HDECACO算法對(duì)

6、半徑突變和多節(jié)變張角圓錐喇叭天線進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了方案的可行性;采用細(xì)粒度并行MGA優(yōu)化設(shè)計(jì)了工作在8-13GHz的波紋多模圓錐喇叭天線，在整個(gè)工作頻帶內(nèi)，邊緣照射電平、增益和主瓣寬度等指標(biāo)都具有較好的恒定值，而且電壓駐波比小于1.5。
　　其后對(duì)平面超寬帶(Ultra-wideband，UWB)天線及功分器進(jìn)行了研究。針對(duì)平面UWB天線中涉及到的熱點(diǎn)研究方向展開了研究，首先提出了一款新穎的帶寬增強(qiáng)型微帶天線，具有雙頻帶的工作

7、特性，覆蓋了2.1～2.6 GHz和3.3～20GHz頻段;而UWB頻段會(huì)對(duì)其它無(wú)線通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，為了解決這一問題，研究了具有陷波功能的UWB微帶天線，提出了一種開路環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)和U形結(jié)構(gòu)，均可以實(shí)現(xiàn)雙頻段陷波功能，與常用的多陷波天線實(shí)現(xiàn)方法不同;也考慮了UWB平面定向輻射天線的應(yīng)用需求，采用基于指數(shù)曲線和橢圓曲線的混合漸變線方法，實(shí)現(xiàn)了Vivaldi天線的小型化設(shè)計(jì)，并借鑒了這種技術(shù)，采用粗粒度并行MGA與商業(yè)電磁軟件結(jié)合對(duì)功分器

8、進(jìn)行了優(yōu)化，獲得了比文獻(xiàn)中的結(jié)果更好的一款UWB功分器;最后，還采用HDECACO方法與傳統(tǒng)DES、CACO算法優(yōu)化了一款超寬帶E形貼片天線，進(jìn)一步證明了混合優(yōu)化算法的優(yōu)越性。
　　最后將并行MGA和HDECACO算法應(yīng)用于超寬帶天線陣列的優(yōu)化問題。首先采用主從式并行MGA優(yōu)化了含有49個(gè)單元的TEM喇叭天線陣，在200處理器核上通過并行FDTD方法求解了適應(yīng)度值，減少了優(yōu)化所需的時(shí)間;其次將有源單元方向圖技術(shù)用于天線陣列的分析，

9、可以考慮天線單元間的互耦，得到的陣列方向圖與商業(yè)軟件全波模擬后的方向圖吻合很好，并與提出的全局優(yōu)化算法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了超寬帶天線陣列的快速設(shè)計(jì):采用HDECACO優(yōu)化設(shè)計(jì)了一個(gè)8元H面排列的直線超寬帶Vivaldi天線陣，優(yōu)化變量為天線單元的饋電幅度，其激勵(lì)相位相同，與等幅度和-30dB切比雪夫激勵(lì)陣相比，優(yōu)化后的副瓣電平明顯降低了;以E形貼片天線為單元，采用細(xì)粒度并行MGA，對(duì)矩形柵格排列（256個(gè)天線單元）和三角形柵格排列(200個(gè)天