Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

UWB ANTENNAS DESIGN BASED ON OPTIMIZATION ALGORITHMS

Abdrakhmanova G.I. 1
1 Ufa State Aviation Technical University
В статье рассмотрена задача проектирования СШП-антенн на основе применения генетического алгоритма (ГА) и алгоритма роя частиц (АРЧ). С этой целью изначально предложена Bug-антенна, основанная на двух совмещенных кругах разного диаметра, отстоящих друг от друга на определенном расстоянии. Далее задана целевая минимизируемая функция S11, которая в пределах СШП-диапазона 3,1÷10,6 ГГц должна быть меньше – 15 дБ. Данное условие обеспечивается за счет изменения различных геометрических параметров антенны. В результате получены две модификации Bug1 и Bug2, обеспечивающие стабильные частотные характеристики в пределах указанного диапазона и малые размеры. АРЧ использовал меньшее количество вычислений, и рабочая полоса частот оказалась чуть шире, чем в случае ГА, но размеры антенны при этом оказались больше.
UWB antennas development on the basis of genetic algorithm (GA) and particle swarm optimization (PSO) algorithm is described in this paper. New Bug-antenna, consisted of two different diameters circles, spaced at some distance between them, is proposed for this purpose. Then the cost function is defined to be less than -15 dB in the UWB frequency band 3,1÷10,6 GHz. This condition is provided by changing the antenna different geometrical characteristics. As a result two modifications Bug1 and Bug2, that provide stable frequency characteristics within the band, mentioned above, and also small size, were developed. PSO uses less number of calculations and provides the operating frequency band wider, than GA, but in this case the antenna size is bigger.
Bug-antenna
particle swarm optimization algorithm
genetic algorithm
UWB communication

Введение

В последние годы наблюдается значительный интерес к технологии сверхширокополосной радиосвязи, функционирующей в полосе частот 3,1÷10,6 ГГц на безлицензионной основе [4; 6]. Разработка основных компонентов данных систем, в частности антенн, является увлекательной задачей, поскольку позволяет исследовать и применять новые геометрии с целью миниатюризации и обеспечения стабильных характеристик излучения [3; 5; 7]. В данной работе предлагается взять за основу Bug-антенну (от англ. bug – жук) и рассчитать ее параметры на основе алгоритмов оптимизации – генетического (ГА) и роя частиц (АРЧ). Назовем эти антенны Bug1 и Bug2 соответственно. Моделирование проводится с использованием ПО «CST Microwave Studio».

Исходные данные и моделирование

Эскиз антенны представлен на рисунке 1. Излучающий элемент (ИЭ) состоит из двух кругов радиусами r и r1, центры которых отстоят на расстоянии s друг от друга. Компланарный волновод (КВ) включает центральный проводник (ЦП) и плоскость земли (ПЗ). Все эти элементы расположены на диэлектрической подложке. Питание антенны производится посредством SMA-коннектора и волноводного порта.

Рисунок 1 – Эскиз Bug-антенны

Значения исходных параметров антенны представлены в таблице 1.

Таблица 1

Параметры антенны

Назв.

Описание

Формула

Значение

Lar

Длина ИЭ

2 ∙ r + r1

20 мм

La

Длина антенны

Lar + Lf

28 мм

Lf

Длина ЦП

r

8 мм

Lg

Длина ПЗ

r – Ts

7,24 мм

Ls

Длина подложки

La + Gs1

29 мм

Ws

Ширина подложки

2 ∙ r + 2 ∙ Gs2

18 мм

Gs1

Зазор подложки

 

1 мм

Tm

Толщина металла

 

0,035 мм

Ts

Толщина подложки

 

0,76 мм

εs

Диэлектрическая проницаемость

 

3,38

tgδ

Тангенс угла диэл. потерь подложки

 

0,0025

Wf

Ширина ЦП КВ

 

1,47 мм

Zv

Зазор вертикальный (ЗВ)

 

0,4 мм

Суть моделирования заключается в том, что необходимо рассчитать геометрию антенны таким образом, чтобы ее коэффициент отражения S11 не превышал по уровню -10 дБ в определенном диапазоне частот, который и будет составлять рабочую полосу. S11 показывает долю отраженной мощности относительно падающей:

, (1)

где Pотр – отраженная мощность, Вт; Pпад – падающая мощность, Вт.

С этой целью на основе алгоритма оптимизации рассчитываются параметры антенны, представленные в таблице 2, чтобы в результате целевая функция удовлетворяла условию:

S11 < -15 дБ при ∆f = 3,1÷10,6 ГГц.  (2)

Таблица 2

Оптимизируемые параметры антенны

Назв.

Описание

Диапазон изменений, мм

Исх. значение, мм

r

Радиус 1го круга

[4;…10]

8,0

r1

Радиус 2го круга

[1;…8]

4,0

s

Расстояние между центрами

[5,5;…10,5]

8,0

Wh

Ширина «хвоста»

[0;…17]

17,0

Lh

Длина «хвоста»

[2;…18]

6,0

Zh

Зазор горизонтальный (ЗГ)

Zh = [0,1;…0,76]

0,76

∆Lf

Длина ПЗ КВ

∆Lf = [-6;…+6]

0

Gs2

Боковой зазор подложки

Gs = [0,5;…6]

1,0

Как отмечалось ранее, в данной работе моделирование основано на технологиях ГА и АРЧ. ГА – алгоритм оптимизации [1] на основе случайного подбора, комбинирования и вариации искомых параметров с использованием механизмов, напоминающих естественную эволюцию, таких как наследование, мутации, отбор и кроссинговер. АРЧ – метод оптимизации функции, основанный на поддерживании популяции возможных решений, называемых частицами, и перемещении этих частиц в пространстве решений согласно принципу наилучшего найденного в этом пространстве положения, которое постоянно изменяется при нахождении частицами более выгодных положений [2].

Результаты вычислений

Внешний вид спроектированных антенн представлен на рисунке 2. В таблице 3 и на рисунках 3, 4 приведены показатели, характеризующие процедуру оптимизации, а также рассчитанные параметры антенн, включая размеры и диапазон частот.

а) Antenna б) Antenna

Рисунок 2 – Внешний вид антенн: а) Bug1; б) Bug2

Таблица 3

Рассчитанные параметры

Параметр

Bug1

Bug2

Количество вычислений

497

451

Значение целевой функции

первое

8,17933082581

11,9356336594

лучшее

3,9593916901

3,26702213287

последнее

3,9593916901

3,26702213287

r

9,33703 мм

9,55981 мм

r1

6,68866 мм

7,02155 мм

s

8,56273

8,90643

Wh

8,9173

10,6055

Lh

9,11331

11,5123

Zh

0,574638

0,637388

Gs2

5,27929

5,87441

Размеры, мм2

33,58842×24,33178

34,48779×30,86844

∆f, ГГц

2,85÷15; ∑=12,15

2,82÷15; ∑=12,18

Optimizer_First,best S11

Рисунок 3 – Оптимизация S11 для антенны Bug1

Очевидно, что обе антенны прекрасно функционируют во всем СШП-диапазоне за счет интегрального наложения нескольких резонансов. При этом антенна Bug2 была рассчитана за меньшее количество вычислений и обеспечивает несколько более широкий диапазон частот. В то же время антенна Bug1 имеет меньшие размеры, что может быть существенным преимуществом в случае приложения для мобильных устройств.

S11

Рисунок 4 – Оптимизация S11 для антенны Bug2

Заключение

В данной работе предложена геометрия СШП Bug-антенны и рассчитаны две ее новые модификации, разработанные на основе ГА и АРЧ. Согласно проведенным экспериментам, применение алгоритмов для расчета и оптимизации структуры антенн позволяет автоматизировать процесс и добиться хороших результатов: оба образца функционируют в СШП-диапазоне частот 3,1÷10,6 ГГц. При этом АРЧ позволяет получить более широкую полосу частот за меньшее количество вычислений, хотя размеры антенны в данном случае несколько больше тех, что были рассчитаны на основе ГА. Тем не менее антенны Bug1 и Bug2 являются хорошими кандидатами для СШП-приложений с точки зрения и частотных характеристик, и геометрических показателей.

Благодарности

Исследование поддержано грантом Европейского союза Erasmus Mundus Action 2 и грантом Министерства образования и науки Российской Федерации (соглашение № 14.В37.21.1974). Также А.Г.И. благодарит профессора Paolo Rocca за полезное обсуждение.

Рецензенты:

Султанов Альберт Ханович, д.т.н., проф., зав. каф. телекоммуникационных систем ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа.

Багманов Валерий Хусаинович, д.т.н., проф., зам. зав. каф. телекоммуникационных систем ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа.