谢尔宾斯基蝶形天线的遗传算法优化设计

工程科学与技术，国际期刊20（2017）775完整文章基于遗传算法的Bikash Ranjan BeheraBirla Institute of Technology，Mesra，Patna Campus，Patna，Bihar，India电子与通信工程系阿提奇莱因福奥文章历史记录：2016年7月28日收到2016年10月27日修订2016年10月29日接受2016年11月9日保留字：等效电路联邦通信委员会（FCC）遗传算法多频带天线谢尔宾斯基领结天线A B S T R A C T本文介绍了一种用于三频段的谢尔宾斯基蝶形天线。所设计的天线谐振频率范围为2 ~ 11 GHz，覆盖频率范围为2.211其结果是，它产生了良好的应用范围，增益10.29 dBi在最高频率水平，宽边辐射模式，最重要的是，多频带性能是实现。使用Rogers RT Duroid 5870这种设计背后的主要动机是，在以前的情况下，增益因子总是由于结构角度的滞后而受到损害，其中工作于多个频带的天线受到很大影响，这与在这种情况下实现的几乎一样一个完整的解释关于谢尔宾斯基领结天线的设计遗传算法、电磁优化器重点研究了天线参数的变化。利用ADS平台对所设计的天线进行了集总等效模型分析。©2016 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍美 国 联 邦 通 信 委 员 会 （ FCC ） 于 2002 年 2 月 提 出 了 超 宽 带（UWB）系统的第一个定义[FCC02]。然后，FCC将频带分配给范围为3.1 -10.6 GHz的通信应用[1-3]，在该宽带中工作的天线需要覆盖子带的视角。电磁优化问题涉及大量参数的存在。这些参数可以是连续的、离散的或两者兼有的性质，并且包括在允许值范围内的约束所有电磁优化问题的解域通常具有不可微和/或不连续的区域，并且总是利用真实电磁系列步骤的近似，节省计算资源。这些通常测试传统优化方法的能力，如遗传算法[4以前的原型是为了实现多波段性能的首要目标而开发的为了克服这一点，作者提出了Sier-pinski天线的设计，该天线不仅在整个频带内保持增益，而且在实现三个频带分辨率频率方面带来性能，提供137 MHz（S波段范围），373MHz（C波段范围）和1.246 GHz（X波段范围）频带-电子邮件地址：bikash.r. ieee.org由Karabuk大学负责进行同行审查频率最高的频率[12]。本文的组织结构如下。第二节介绍了如何进行谢尔宾斯基蝶形天线的设计。它们的构造背后的第三节介绍了利用遗传算法跟踪参数变化的天线在不同情况下的特性，利用ADS平台建立了等效集总电路模型，并与现有样机进行了对比分析第4节解释了所设计的天线的见解和未来的实施。2. 天线设计分形几何形状的自相似性使其适用于多频段天线设计。在天线应用中提供多频带性能的简单分形几何形状是Sierpinski垫圈。Sierpinski垫圈的特性导致天线频带间隔约为2倍[13]。因此，天线性能（方向图和阻抗）在每个波段都是相同的，直到截断点基质效应开始起作用。通过修改Sierpinski几何结构[14，15]，其他带间距Sier-pinski蝶形天线易于构造，并且通常由电介质基板支撑或通过使用悬置金属切口构造。当使用衬底时，优选薄的低介电常数衬底以避免劣化天线性能。图图1示出了Sierpinski垫圈，http://dx.doi.org/10.1016/j.jestch.2016.10.0172215-0986/©2016 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestch776B.R. Behera/Engineering Science and Technology，an International Journal 20（2017）775Fig. 1. Sierpinski Bow-Tie天线（a）Sierpinski垫圈（b）顶视图（c）侧视图。表1Sierpinski蝶形天线的设计参数。模型参数尺寸臂长，La66.09 mm进料间隙，Sf2.142 mm进料线宽度，Wf2.142 mm外展角，hf60°分形迭代次数，N3由于先前的迭代而形成的金属化三角形的中点三角形金属。SierpinskiBow-Tie天线在两个主要三角形臂之间的中心点馈电。由于Sierpin-skiBow-Tie天线是完全平衡的设计，如果使用同轴或其他不平衡传输线对其进行馈电，则必须使用巴伦。平衡-不平衡转换器设计用于提供阻抗匹配[16]。Sierpinski Bow-Tie天线具有独特的操作特性，模式，因为他们遇到的增强多波段性能[17]第10段。所有的主要尺寸的建议天线显示表2Sierpinski Bow-Tie天线的基片参数。建模参数尺寸/数值底物名称Rogers RT Duroid 5870基板高度，Hs0.787 mm相对介电常数，er2.33谭德尔塔850 e-6通过从类似于标准蝴蝶结天线的一个臂的金属三角形开始形成。第一次迭代是通过去除由连接原始三角形的边的中心点形成的三角形中的所有金属来执行的。第二次迭代是通过去除由第一次迭代制成的三个金属化三角形的中点三角形的金属来形成的，从而产生9个金属化三角形。随后的迭代重复地形成，以及表2中所用基材的细节。3. 结果讨论和分析在找到所有关于设计建模的理论解释之后，现在作者已经向前迈进，提取出各种天线参数的行为或性能。 图2显示了反射系数（dB）随频率（GHz）结果表明，所提出的天线产生2.211-2.348 GHz、4.777-5.150GHz和8.874-10.12 GHz的三频工作 图图3示出了所提出的天线的50欧姆阻抗特性。Sierpinski Bow-Tie天线在几个对数间隔频带中具有良好的阻抗行为，这取决于几何结构中包含多少分形迭代[13]。图4示出了在三重谐振频率下工作的天线的辐射图，即，2.211图二. 原型的反射系数特性B.R. Behera/Engineering Science and Technology，an International Journal 20（2017）775-782777图三. 原型的阻抗特性（a）史密斯圆图（b）阻抗v/s频率。见图4。 原型在不同频率下的辐射图（a）2.4 GHz（b）4.6 GHz（c）9.7 GHz。图五. 天线的增益模式（a）2.4 GHz（b）4.6 GHz（c）9.7 GHz。778B.R. Behera/Engineering Science and Technology，an International Journal 20（2017）775见图6。 利用遗传算法进行参数变异后得到的原型反射系数特性。表3通过遗传算法得到设计原型的尺寸范围模型参数尺寸臂长，La52.87进料间隙，Sf0.712进料线宽度，Wf0.712外展角，hf45分形迭代次数，N1表4通过遗传算法得到了原型设计的指导思想。参数最佳范围[21]用于天线设计人口范围30交叉概率突变概率更换策略稳态稳态图7.第一次会议。 参数变化（a）臂长的变化，La（b）进给间隙的变化，Sf（c）张开角的变化，hf（d）分形迭代次数的变化，N。B.R. Behera/Engineering Science and Technology，an International Journal 20（2017）775-782779图7（续）和8.874此外，它们普遍产生宽边辐射图案。在给出了天线参数如S11特性、辐射方向图等性能之后，剩下的主要内容是在2.211-2.348GHz（峰值为2.4 GHz）、4.777-5.150 GHz（峰值为4.6 GHz）和8.874-10.12 GHz（峰值为9.7 GHz）的每个谐振频率处的增益，如图所示。 五、据观察，增益通常大于6 dBi，这大于天线，如微带贴片天线，微带天线和圆形贴片天线[18-据观察，所提出的天线表现出6.238 dBi在第一峰值（2.4 GHz），10.29 dBi 在 第 二 峰 值 （ 4.6 GHz ） 和 8.077 dBi 在 第 三 峰 值 （ 9.7GHz）。据观察，45.96%的带宽被进化出来。此外，作者还使用了称为遗传算法[4，5，21]的电磁优化器来找到最佳参数变化，以产生建模参数对整体行为的影响，如图所示。最佳尺寸范围见表3。对于计算遗传算法[4，5]某些概念要记住：1. 人口2. 母3. 孩子4. 染色体5. 健身在实施遗传算法[21]时必须遵循某些实施指南，如表4所示。图7示出了在改变以下参数时个体参数变化对原型行为的影响：1. 臂长La和进给间隙Sf的变化。2. 张开角hf的变化和迭代次数N的变化。在后一部分中，L-C匹配已经以等效电路的形式进行，其中如图8所示使用集总元件以用于在三重频率即2.211-2.348 GHz、4.777-5.150GHz、8.874-10.12 GHz下操作表5中的LC组合。获得的所有值都适用于2.4 GHz频率下50欧姆阻抗4.6 GHz 9.7 GHz。正是天线系统中阻抗匹配的情况调节了功率传输的基本条件，因为它被天线系统吸收和辐射。在下一阶段，我们还可以在ADS环境中进行集总等效电路模型形式的MMIC分析，等效电路如图所示。9.第九条。由于谐振频率处的天线输入阻抗类似于780B.R. Behera/Engineering Science and Technology，an International Journal 20（2017）775见图8。在2.4 GHz、4.6 GHz和9.7 GHz三个频率下对样机的LC匹配电路进行了等效显示。表5原型等效电路的组合谐振频率集总元件的组合第一频率范围（2. 211L2= 0.119 nH，C2= 1.6 pF第二频率范围（4.777L4 = 2.05 nH，C4 = 7.74 pF第三频率范围（8.874L6 = 3.49 nH，C6 = 9.04 pF集总并联RLC电路 它还提供了一个准确的描述输入阻抗响应的天线，通过集总实体，模型的分布元件，如图所示。 10个。在最后一部分中，已经提供了关于现有设计的比较分析，因为其特别用于提供如表6和表7所示的多频带性能。这里的比较是通过考虑增益，谐振频率的所有已经报道的论文相对于设计的天线。见图9。 谐振频率的等效电路。B.R. Behera/Engineering Science and Technology，an International Journal 20（2017）775-782781见图10。 原型的MMIC分析（a）等效比较（b）CST模拟V/s ADS等效比较（c）CST模拟V/s CST等效比较。表6与现有原型的比较。参数[6]美国[七]《中国日报》[八]《中国日报》设计天线变化增益7.2 dBi5.9 dBi7.8 dBi8.07改进谐振3.15.155 GHz、6 GHz2.211改善频率9.18.874带宽\782B.R. Behera/Engineering Science and Technology，an International Journal 20（2017）775表7与现有原型的比较-II。参数[9][10个国家][第十一届]设计天线变化增益5.15 dBi448.07改进谐振频率的2.4 GHz，3.8 GHz，5.5千兆赫2.84.292.2118.874改善带宽4.结论和今后的范围本文作者成功地设计了工作在2.211GHz至2.211GHz三频的样机。2.348 GHz、4.777 GHz至5.150 GHz和8.874 GHz至10.12 GHz，以寻求多频段性能方面的应用除了进行仿真，L-C匹配和MMIC分析，表示成集总等效电路模型的天线，重点是适当的调节功率的相关性和实时的基础上的场景。从两个不同的平台获得的结果发现适当的匹配为了在参数变化中获得最佳结果与其他常规技术相比，使用GA是因为其工作机制和与其他常规技术相比计算资源的最佳使用在增益和谐振频率方面，将所设计天线的所有性能与现有或已报道的多频带原型进行了比较因为为了实现多频带性能，增益必须处于最高的最佳水平，这在本工作中已经看到或实现因此，所有仿真电路分析的现任导致进一步加强在实时实施方面。在未来的发展中，将开口环谐振器（SRR）作为超材料的组成部分，以减小天线的尺寸，并将其功能提高到一个新的水平。引用[1] 联邦通信委员会，2002年，第一次报告和命令，委员会关于超宽带传输系统的规则第15部分的修订可查阅：www.example.com~astro/RXstatus/Lnarrow/fcc_UWB.pdf>。http://www.naic.edu/[2] I. Oppermann，M. Hamalainen，J. Ilinati，UWB理论与应用，John Wiley和儿子有限公司，2004,http://dx.doi.org/10.1002/0470869194网站。West Sussex，pp.28比32[3] A. Patro，P. Suraj，B.R. Behera，2016年，在UWB范围内实现各种频段，在：IEEE 第 一 届 微 电 子 ， 计 算 和 通 信 国 际 会 议 ， pp.1 比 5 。 DOI ：10.1109/MicroCom.2016.7522452。[4] J.M.约翰逊，Y.R.陈志荣，1994，遗传演算法在天线设计中的应用，载于：中华民国电子工程师学会，第100页。326-329. DOI：10.1109/ APS.1994.407746。[5] R.L. Haupt，电磁学遗传算法导论，IEEE Escherichna Propag。Mag.37（2）（1995）7http://dx.doi.org/10.1109/[6] S. 高希，超宽带应用中的带陷波改进型圆环微带天线普罗帕格Lett. 9（2010）276 -279，http：//dx. doi.org/10.1109/LAWP.2010.2046391。[7] Y.S. Hu，M. Li，G.P. Gao，et al.，用于具有带陷波特性的UWB应用的双印刷梯形贴片偶极天线，PIERS 103（2010）259http://dx.doi.org/10.2528/PIER10011604[8] M.C. Ezuma，S.Subedi，J.Y.Pyun，2015，Design of compact UWB antennafor the multi-band wireless applications，in：2015 International ConferenceonInformationNetworking，pp.456-461.DOI：10.1109/ICOIN.2015.7057945.[9] P. Lofti ， S. Soltani ， M. Azharmanesh ， Triple-band notched UWB CPW andmicrostrip line fed UWB antenna using broken -shaped slot，AEU-InternationalJournalofElectronicsandCommunication65（9）（2011）734http://dx.doi.org/10.1016/j.aeue.2010.11.001[10] R.V. S 拉姆克里希纳河Kumar，一种具有单端口和双端口双极化的开槽UWB微带天线19（1）（2016）470http://dx.doi.org/10.1016/j.jestch.2015.08.012[11] R. 库 马尔 ， 北张 志华 ， 扇形 圆 盘分 形天 线 的设 计与 研 究， 工 程学 报， 2001 。Technol.20（1）（2017）18[12] IEEE Std 521-[13] Y. Tawk，K.Y. Kabalan，A. El-Haj，J. Costantine，一种简单的多频带印刷蝴蝶结天线，IEEEEQUIPNASWirel。普罗帕格Lett.7（2008）557dx.doi.org/10.1109/LAWP.2008.2001027[14] E.A. Soliman，S. Brebels，P. Delmotte等人，共面波导馈电的蝶形缝隙天线，Electron.Lett。35（7）（1999）514http://dx.doi.org/10.1049/[15] C.T.P. Song，P.S. H.G.霍尔张文，张文龙，等.科洛纳斯·普罗帕格51（5）（2003）1011http://dx.doi.org/10.1109/TAP.2003.811522[16] C. Puente-Baliarda，J. Pous等人，关于Sierpinski多频带分形天线的行为，IEEETrans. 46（1998）517http://dx.doi.org/10.1109/8.664115[17] K.M.Z.沙姆斯湾Ali，共面波导馈电的电感耦合改进蝶形缝隙天线，IEEE Propag.Soc. Int. Symp. 3（2005）365-368，http：//dx. doi.org/10.1049/el:20061819的网站。[18] S.S. Zhong，J.H.崔，IEEE天线与传播学会国际研讨会，IEEE天线与传播学会。Soc. Int. Symp. 3（2000）2196http://dx.doi.org/10.1109/APS.2000.874929[19] W.T. Li，X.W.石玉琴何先生，一种新型的三阶陷波平面超宽带微带天线，IEEE802.11。普罗帕格Lett.8（2009）1094http://dx.doi.org/10.1109/LAWP.2009.2033449[20] M.M. Abd-Elrazzak，I.S.陈志荣，2003，一种适用于蓝牙与Hiperlan应用之圆形微带贴片天线设计，于第九届亚太通讯会议论文集，页。974-977. DOI：10.1109/APCC.2003.1274243。[21] J.M. Johnson，Y.李文，遗传算法在工程电磁学中的应用，北京：计算机科学出版社。Mag.39（4）（1997）7-21，http：//dx. doi.org/10.1109/74.632992网站。