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線系統(tǒng)中不可缺少的重要組成部分，超寬帶技術能夠廣泛應用于雷達、定位、探測及控制等領域，天線無疑承擔了很重要的的角色，也使得超寬帶天線及陣列成為了近年來的研究熱點以及超寬帶技術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計方法展開。
　　在對電大尺寸的超寬帶天線及陣列進行全波模擬時計算時間長、占用內存大，甚至一臺電腦有時都無法進行仿真，為了解決這個問題，本文基于并行自適應結構網絡應用支撐軟件框架

2、(JASMIN)研究了適用于大型并行平臺的高效并行時域有限差分(Finite-Difference Time-Domain，F(xiàn)DTD)法。首先研究了均勻網格并行FDTD方法及其關鍵技術，對其正確性進行了驗證，并采用500個處理器核對144單元TEM喇叭及加脊TEM喇叭天線陣進行了仿真計算;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構中存在細微結構時均勻網格內存需求和計算量大的問題，采用此并行算法在200個處理器核上模

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對稱結構的天線輻射問題，研究了并行旋轉對稱FDTD方法，實現(xiàn)了對主反射面直徑為280個波長的標準卡塞格倫天線的并行計算。
　　同時超寬帶天線及陣列中涉及到的參數(shù)較多，且參數(shù)與設計目標之間的關系是非線性的，因此有必要引入全局優(yōu)化方法對其進行輔助設計，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計所需要的時間。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)編碼微分進化策略(Differential Evolution Strategy，DES)，將粗粒度和細粒度并行MGA、整數(shù)編碼DES應用于32元對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)算法的混合改進算法—HDECACO，通過對

5、兩個典型數(shù)學函數(shù)的優(yōu)化，證明了改進算法的高效性。
　　隨后論述了本文提出的并行全局優(yōu)化算法和HDECACO算法對超寬帶喇叭天線的優(yōu)化設計。將并行全局優(yōu)化算法與三維均勻網格并行FDTD結合，實現(xiàn)了TEM喇叭天線的自動優(yōu)化，進一步證明了并行MGA更能保持種群的多樣性，搜索能力更強;為了設計出高效的反射面天線的饋源，對多模圓錐喇叭天線進行了研究，提出了旋轉對稱FDTD算法與全局優(yōu)化算法相結合的自動優(yōu)化設計方案，并應用HDECACO算法對

6、半徑突變和多節(jié)變張角圓錐喇叭天線進行了優(yōu)化設計，驗證了方案的可行性;采用細粒度并行MGA優(yōu)化設計了工作在8-13GHz的波紋多模圓錐喇叭天線，在整個工作頻帶內，邊緣照射電平、增益和主瓣寬度等指標都具有較好的恒定值，而且電壓駐波比小于1.5。
　　其后對平面超寬帶(Ultra-wideband，UWB)天線及功分器進行了研究。針對平面UWB天線中涉及到的熱點研究方向展開了研究，首先提出了一款新穎的帶寬增強型微帶天線，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頻段會對其它無線通信系統(tǒng)產生干擾，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)諧振器結構和U形結構，均可以實現(xiàn)雙頻段陷波功能，與常用的多陷波天線實現(xiàn)方法不同;也考慮了UWB平面定向輻射天線的應用需求，采用基于指數(shù)曲線和橢圓曲線的混合漸變線方法，實現(xiàn)了Vivaldi天線的小型化設計，并借鑒了這種技術，采用粗粒度并行MGA與商業(yè)電磁軟件結合對功分器

8、進行了優(yōu)化，獲得了比文獻中的結果更好的一款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方法求解了適應度值，減少了優(yōu)化所需的時間;其次將有源單元方向圖技術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)化算法相結合，實現(xiàn)了超寬帶天線陣列的快速設計:采用HDECACO優(yōu)化設計了一個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，其激勵相位相同，與等幅度和-30dB切比雪夫激勵陣相比，優(yōu)化后的副瓣電平明顯降低了;以E形貼片天線為單元，采用細粒度并行MGA，對矩形柵格排列（256個天線單元）和三角形柵格排列(200個天