一種基于二進制粒子群算法的Fragment型天線結構設計方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于二進制粒子群算法的Fragment型天線結構設計方法，在Fragment型天線結構設計時，將其給定設計區域映射為一串二進制0/1編碼，即離散為許多小的設計區域，“0”和“1”分別表示小區域無和有填充，不同的0/1編碼組合代表不同的天線設計區域形狀，通過引入正交陣列初始化Fragment型天線設計區域的初始形狀，增加初始天線設計的多樣性及其在設計區域的分布多樣性，然后改進轉換函數以加快尋找最優天線結構的速度。本發明提出的方法在解決Fragment型天線結構設計問題時，兼顧天線設計的多樣性和設計速度，可顯著改善Fragment型天線結構設計問題的求解效率，尤其是高維天線設計問題。
【專利說明】
-種基于二進制粒子群算法的Fragment型天線結構設計方法
技術領域
[0001] 本發明屬于天線設計領域，設及一種基于二進制粒子群算法的Fragment型天線結 構設計方法。
【背景技術】
[0002] 隨著無線電通信技術的快速發展，無線通信設備的小型化、智能化和多功能一體 化設計逐漸引起人們的重視。天線作為無線通信設備的重要組成部分，實現了導行波與自 由空間波之間的能量轉換，為電磁波的福射和接收提供了保障，天線性能的好壞對整個無 線系統的性能由很大的影響。現代無線通信系統的發展不僅要求天線具有重量輕、成本低、 易于制造和易于集成等特點，還對天線的小型化、寬頻帶、多頻帶、共形和一體化設計提出 了前所未有的要求。
[0003] Fragment型天線結構設計不同于天線參數設計，給定一個天線的初始形狀設計連 續的參數變量，而只需給定一設計區域，離散化后映射為二進制0/1編碼，通過設計不同的 編碼組合，找到一個合適的滿足天線設計需求的天線結構。Fragment型天線結構設計結果 往往出人意料，避免了設計師受到傳統天線設計思維的影響和限制，有益于設計出有創意 的天線形狀，而且Fragment型天線結構設計尤其適合于無線和便攜式通信產品的內置天線 設計，由于此類天線通常被限制在某一給定空間。因此，化agment型天線結構設計在實際應 用中具有巨大設計潛力，且可有效縮短設計周期，同時利用合適的智能算法意味著更低的 開發成本。二進制粒子群算法（BPSO)(參考文獻：J.Kennedy ,R.C.Eberhart .A discrete binary version of the particle swarm optimization.IEEE International Conference on Systems,1997,5(5) :4104-4108)是非常受歡迎的適用于離散變量的智能 算法，但是由于化agment型天線結構設計的巨大計算成本且問題維度較高，BPSO的設計效 果不是很理想，且目前尚缺乏關于此類問題的研究文獻。
【發明內容】
[0004] 本發明提出一種基于二進制粒子群算法(BPSO)的Fragment型天線結構設計方法， 實現了高維離散的化agment型天線設計問題的高效求解。
[0005] 本發明的技術方案如下：
[0006] -種基于二進制粒子群算法的Fragment型天線結構設計方法，包括W下步驟：
[0007] 步驟1:依據天線設計需求構建天線初始模型，確定設計區域；
[000引步驟2:依據天線設計需求構造天線設計目標的目標函數F;
[0009] 步驟3:將設計區域離散為m個子設計區域；
[0010] 步驟4:采用正交陣列初始化N組不同的天線設計區域的結構，即將m個子設計區域 映射為長度為m的N組不同的二進制編碼xi，xi，. . .，XN;
[0011] 引入正交陣列對天線設計區域進行初始化設置；
[0012] 每組編碼長度為m，對應m個子設計區域，構成整個設計區域的編碼；
[0013] 在常規設計中為了保持天線結構的多樣性設計，均采用隨機賦值，而通過正交陣 列賦值，不僅保證了天線結構的多樣性，而且初始化的天線結構在設計空間分布比較均勻， 多樣性更好，有利于全面捜索，快速找到最優天線設計；
[0014] 步驟5:隨機給N組二進制編碼中每個元素分配一個初始速度V1，V2, ...，VN，初始速 度向量，包含m個速度，W -組編碼作為一個個體，腺且編碼作為一個群體；
[0015] 步驟6:調用電磁仿真工具分別獲取N組天線編碼的響應值，利用其響應值求解目 標函數，獲得每個個體當前最優編碼為Pbest、所有N個個體的全局當前最優編碼為Gbest;
[0016] 每個個體當前最優編碼是指一個個體經過迭代后，該個體當前的最優目標函數對 應的個體編碼；
[0017] 所有N個個體的全局當前最優編碼是指所有個體經過迭代后，所有個體中當前的 最優目標函數對應的個體編碼；
[0018] 步驟7:判斷步驟6求解獲得的目標函數值是否滿足天線設計需求，若滿足，則進入 步驟8,否則，基于二進制粒子群更新操作更新N組二進制串編碼每個元素的速度并生成新 的N組編碼，返回步驟6,直到獲得符合設計要求的編碼或者達到二進制粒子群更新操作的 最大迭代次數；
[0019] 步驟8:結束Fragment型天線結構設計。
[0020] 所述利用正交陣列初始化腺且不同的天線設計區域的結構，具體過程如下：
[0021] 每組天線設計區域的結構長度均為m:
[0022] 1)將應用于天線結構設計區域初始化的正交陣列定義為0A(N，m，2)即一個大小為 [Xij]Nxm的矩陣，其中Xi,功正交陣列的元素，N代表N組編碼，m代表編碼長度為m，2代表編碼 元素為0或1。
[0023] 該正交陣列OA的特點為:OA的任意列被移除，剩下的的矩陣仍為OA;對于OA任意的 NX2子陣列，其0和1任意組合出現的次數相等。OA的運兩個特點保證了初始化天線結構的 多樣性和其在天線設計區域的分布均勻性。
[0024] 2)構造正交陣列OA:
[00劇情形一:若N = 2L，其中L為正整數且滿足m = 2L-l，則依據如下步驟構造正交陣列OA (N,m,2)：
[0026] A)對于基本列xj，其中 j = l，2,4, . . .，2L-1，貝IJ
[0027] 從1 = 1到L，進行如下循環
[002引 J = 21-1 (1)
[0029] 則正交陣列^列的元素分別為
[0030]
(2)
[0031 ] B)對于除基本列之外的非基本列，貝U
[0032] 從1 = 2到L，進行如下循環
[0033] j = 2i-i (3)
[0034] 則正交陣列非基本列巧r的元素為
[0035] xj+r=(xj+Xr)mod2r=l,2, . . . , j-1 (4)
[0036] 情形二:若不存在上述正整數L滿足N=2L，則取L為滿足式巧）的最小正整數
[0037] 2^-1 (5)
[0038] 然后令n/ =2L-1，按照情形一的方法構造正交陣列〇A(N，n/，2)，然后刪除最后的 m'-m列，獲得正交陣列0A(N，m，2)。
[0039] 3)將正交陣列的每一行作為一個天線結構設計的個體，初始化天線設計區域結 構。
[0040] 所述基于二進制粒子群更新操作，獲得符合設計要求的編碼的具體過程如下：
[0041 ]對于N組天線設計參數變量依次進行如下操作：i = 1;
[0042] 1)依據如下公式更新第i組編碼的速度
[0043] Vi(t) = O Vi(t-l)+Cl；ri(Pbest-Xi(t-l) )+C 化 2(Gbest-Xi(t-l))其中，t為迭代次 數，Vi(t)和Vi(t-l)分別為第i組編碼第t次和t-1次迭代的速度，Xi(t-l)為第i組編碼第t-1 次迭代的二進審IjOA編碼，《為慣性權重，C謝C2為學習因子，ri和K是[(U]之間的隨機數；
[0044] 2)依據如下公式更新第i組編碼：
[0045]
[0046]
[0047]
[0048] 其中，kmax=2和kmin=l分別是轉換因子的最大和最小值，k(t)為第t次迭代的轉換 因子，S(ViU))為第t次迭代的轉換函數，Xi(t)為第t次迭代的二進制0/1編碼。
[0049] k(t)為改進的轉換因子，本方案中采用的轉換因子與迭代次數相結合，實現動態 更新，加快了尋找最優天線結構的速度。
[0050] 所述基于二進制粒子群更新操作中慣性權重CO，學習因子Cl和C2依次設置為《 = 1 ,Cl 二 C2 二 2d
[0化1]有益效果
[0052] 本發明公開了一種基于二進制粒子群算法的Fragment型天線結構設計方法，將其 給定設計區域映射為一串二進制0/1編碼，即離散為許多小的設計區域，"0"和"r分別表示 小區域無和有填充，不同的0/1編碼組合代表不同的天線設計區域形狀，天線離散變量維數 較高即二進制0/1編碼長度較長，通過引入正交陣列初始化Fragment型天線設計區域的初 始形狀，增加初始天線設計的多樣性，然后改進轉換函數加快尋找最優天線結構的速度。本 發明提出的方法在解決Fragment型天線結構設計問題時，兼顧天線設計的多樣性和設計速 度，顯著改善化agment型天線結構設計問題的求解效率，尤其是高維天線設計問題。
【附圖說明】
[0053] 圖1為改進的基于二進制粒子群算法的Fragment型天線結構設計問題流程圖；
[0054] 圖2為Fragment型天線結構模型及其設計區域離散化；
[0055] 圖3為離散化天線設計區域映射為二進制0/1編碼的實例；
[0056] 圖4為天線設計區域設計結果及其回波損耗圖；
[0化7]圖5為改進的BPS0、LBPS0和ABPSOS種算法的收斂曲線比較圖。
【具體實施方式】
[0058]下面將結合實施例對本發明做進一步的說明。
[0化9]實施例1:
[0060] 通過一個Fragment型天線結構設計平面多頻段天線來說明本發明的有效性。一種 基于二進制粒子群算法的化agment型天線結構設計方法，如圖1所示，包括W下步驟：
[0061] 步驟1:天線建模；
[0062] 天線建模即構造初始天線模型如圖2所示，天線介質板采用FR-4材料，介電常數為 4.4,大小為20mm X 37mm，厚度為0.5mm。兩塊地板位于介質板的下方，大小為IOmm X 20mm，義 用50歐姆微帶線進行饋電，其寬度為1.5mm，長度為14mm。貼片采用大小為16mmX 20mm的矩 形金屬貼片，也是天線的設計區域。
[0063] 步驟2:根據天線設計需求在2.15~2.75細Z，3.33~4.15細Z ,and 5.00~6.25細Z S個頻段內回波損耗小于-10地，構造化agment型天線結構設計的目標函數如下：
[0064]
[00 化]
[0066] 其中，fi是在2.15~2.75細Z，3.33~4.15細Z，and 5.00~6.25GHzS個頻段內第i 個采樣點的頻率，n是=個頻段內的采樣點個數，Sii(fi)是頻率fi處的回波損耗。
[0067] 步驟3:離散化設計區域為8X10的矩形小貼片并進行二進制0/1編碼，圖3給出一 個設計區域離散和編碼的實例；
[0068] 步驟4:利用正交陣列初始化84組不同的天線設計區域的結構，即將80個小設計區 域映射為長度為80的84組不同的二進制0/1編碼xi，xi，...，X84;
[0069] 其中，對于84組長度為80的正交陣列構造如下：
[0070] 1)將應用于天線結構設計區域初始化的正交陣列定義為0A(84,80,2)即一個大小 為[Xij]84x8〇的矩陣，其中XiJ為正交陣列的元素，84代表84組編碼，80代表編碼長度為80,2 代表編碼元素為0和1。該正交陣列OA的特點為:OA的任意列被移除，剩下的的矩陣仍為0A。
[0071] 2)構造正交陣列OA:
[0072] 取L = 7,依據如下步驟構造正交陣列0A(84，127,2):
[0073] A)對于基本列xj，其中 j = l，2,4, . . .，2L-1，貝IJ
[0074] 從1 = 1到L，進行如下循環
[0075] J = 21-1 (1)
[0076] 則正交陣列^列的元素分別為
[0077]
(2)
[0078] B)對于除基本列之外的非基本列，貝U [00巧]從1 = 2到L，進行如下循環
[0080] J = 21-1 (3)
[0081 ]則正交陣列非基本列Xj+r的元素為
[0082] xj+r=(xj+Xr)mod2r=l,2, . . . , j-1 (4)
[0083] 然后刪除最后的47列，獲得正交陣列0A(84,80,2)。
[0084] 3)將正交陣列的每一行作為一個天線結構設計的個體，初始化天線設計區域結 構。
[0085] 步驟5:隨機給84組二進制串編碼每一個元素0或1分配一個初始速度vi，V2, ...， V84，每一個速度值大小限制為(0，6 );
[0086] 步驟6:調用電磁仿真工具分別獲取84組天線編碼的響應值，利用其響應值求解目 標函數，獲得每一組編碼的個體當前最優設計為Pbest、所有N組編碼的全局當前最優設計為 Gbest ；
[0087] 步驟7:判斷步驟6求解獲得的目標函數值是否滿足天線設計需求，若滿足，則進入 步驟9，否則，進入步驟8，執行完成后返回步驟6，直到獲得符合設計要求的編碼或者達到二 進制粒子群更新操作的最大迭代次數；
[0088] 步驟8:基于二進制粒子群更新操作更新84組二進制串編碼每一個元素0或1的速 度并生成新的84組編碼，對84組天線設計參數變量依次進行如下操作，i = 1;
[0089] 1)依據如下公式更新第i組編碼的速度
[0090] Vi(t)= O Vi(t-l)+Cl；ri(Pbest-Xi(t-l))+C化2(Gbest-Xi(t-l))
[0091] 其中，t = 50，Vi(t)和Vi(t-l)分別為第i組編碼第t次和t-1次迭代的速度，Xi(t-l) 為第i組編碼第t-1次迭代的二進制0/1編碼，《 = 1，ci = C2 = 2,ri和r2是[0,1 ]之間的隨機 數。
[0092] 2)依據如下公式更新第i組編碼
[0093]
[0094]
[0095]
[0096] 其中，kmax=2和kmin=l分別是轉換因子的最大和最小值，k(t)為第t次迭代的轉換 因子，S(ViU))為第t次迭代的轉換函數，Xi(t)為第t次迭代的二進制0/1編碼。
[0097] 步驟9:結束Fragment型天線結構設計。
[0098] 應用本發明所述方法獲得的貼片形狀和其回波損耗圖如圖4所示，天線在2.15~ 2.75GHz，3.33~4.15細Z，and 5.00~6.25GHzS個頻段內的回波損耗值均小于-10地，滿足 天線設計性能需求。
[0099] 此外分別利用LBPS0(S. Lee , S. Soak, S. Oh, et al .Modif ied binary particle swarm optimization. Progress in Natural Science ,2008,18(9): 1161-1166.)、ABPS0 (A.Modiri,K.Kiasaleh.Modification of Real-Number and Binary PSO Algorithms for Accelerated Convergence. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2011,59(1) :214-224..)進行化agment型天線結構設計，比較其設計結果，如圖5所示。相較 于W前的改進BPS0,本發明提出的改進BPSO有較快的收斂速度找到滿足設計需求的天線結 構。
[0100] W上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技 術人員來說，本發明可W有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修 改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種基于二進制粒子群算法的Fragment型天線結構設計方法，其特征在于，包括以 下步驟： 步驟1:依據天線設計需求構建天線初始模型，確定設計區域； 步驟2:依據天線設計需求構造天線設計目標的目標函數F; 步驟3:將設計區域離散為m個子設計區域； 步驟4:利用正交陣列初始化N組不同的天線設計區域的結構，即將m個子設計區域映射 為長度為m的N組不同的二進制編碼Χ1，Χ2, · · ·，XN; 步驟5:隨機給N組二進制編碼中每個元素分配一個初始速度V1，V2,. . .，VN，初始速度向 量，包含m個速度，以一組編碼作為一個個體，N組編碼作為一個群體； 步驟6:調用電磁仿真工具分別獲取N組天線編碼的響應值，利用其響應值求解目標函 數，獲得每個個體當前最優編碼為Pbest、所有N個個體的全局當前最優編碼為Gbest; 步驟7:判斷步驟6求解獲得的目標函數值是否滿足天線設計需求，若滿足，則進入步驟 8,否則，基于二進制粒子群更新操作更新N組二進制串編碼每個元素的速度并生成新的N組 編碼，返回步驟6,直到獲得符合設計要求的編碼或者達到二進制粒子群更新操作的最大迭 代次數； 步驟8:結束Fragment型天線結構設計。2. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用正交陣列初始化N組不同的天線 設計區域的結構，具體過程如下： 每組天線設計區域的結構長度均為m: 1) 將應用于天線結構設計區域初始化的正交陣列定義為〇A(N，m，2)即一個大小為 [XW]Nx m的矩陣，其中XU為正交陣列的元素，N代表N組編碼，m代表編碼長度為m，2代表編碼 元素為〇或1; 2) 構造正交陣列OA 情形一:若Ν = 2、其中L為正整數且滿足m=2L-l，則依據如下步驟構造正交陣列0Α(Ν， m,2)： A) 對于基本列Xj，其中j = 1,2,4, ·21-1，則 從1 = 1到L，進行如下循環 j = 21_1 (1) 則正交陣列^列的元素分別為(2) B) 對于除基本列之外的非基本列，則 從1 = 2到L，進行如下循環 j = 21"1 (3) 貝IJ正交陣列非基本列的元素為(4) 情形二:若不存在上述正整數J滿足N=，則取L為滿足式(5)的最小正整數 2L-1彡m (5) 然后令n/ =2L-1，按照情形一的方法構造正交陣列0Α(Ν，π/，2)，然后刪除最后的n/-m 列，獲得正交陣列〇A(N，m，2); 3)將正交陣列的每一行作為一個天線結構設計的個體，初始化天線設計區域結構。3. 根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述基于二進制粒子群更新操作，獲得 符合設計要求的編碼的具體過程如下： 對于N組天線設計參數變量依次進行如下操作:i = 1; 1) 依據如下公式更新第i組編碼的速度 vi(t) = ω vi(t-l)+ciri(Pbest-xi(t-l) )+C2r2(Gbest-xi(t-l)) 其中，t為迭代次數，vi(t)和vi(t-l)分別為第i組編碼第t次和t-1次迭代的速度，xi(t-1)為第i組編碼第t-1次迭代的二進制0/1編碼，ω為慣性權重，CjPc 2為學習因子，^和^是 [〇，1]之間的隨機數； 2) 依據如下公式更新第i組編碼：其中，kmax = 2和kmin=l分別是轉換因子的最大和最小值，k(t)為第t次迭代的轉換因 子，S(ViCt))為第t次迭代的轉換函數，Xi(t)為第t次迭代的二進制0/1編碼。4. 根據權利要求3所述的方法，其特征在于，所述基于二進制粒子群更新操作中慣性權 重ω，學習因子Ci和C2依次設置為ω =1，ci = C2 = 2。
【文檔編號】G06F17/50GK106021825SQ201610531511
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月7日
【發明人】董健, 李茜茜, 鄧聯文
【申請人】中南大學