变形螺旋天线的自动设计.pdf

　第 16 卷 　第 5 期 强 激 光 与 粒 子 束 Vol. 16 ,No. 5 　 　2004 年 5 月 HIGH POWER LASER AND PARTICL E BEAMS May ,2004 　 文章编号 : (2004) 变形螺旋天线的自动设计 陈　星 , 　黄卡玛 , 　闫丽萍 , 　赵 　翔 ( 四川大学 电子信息学院, 四川 成都 610064) 　　摘 　要 : 　利用优化算法进行天线的自动设计是现代天线研究的一个重要趋势 。采用 N EC (Numerical Electromagnetics Code) 天线数值计算程序和遗传算法 ,结合并行计算技术 ,实现了对螺旋天线的自动设计。在 轴向模辐射 ,螺旋轴长 80cm 内和频率为600MHz 的条件下 ,设计了增益高达 12. 68dB 的均匀螺旋天线 , 比传统 设计方法高 3. 28dB ;在 400～800MHz 的频带内 ,对变形螺旋天线之一的锥削螺旋天线做了高增益设计 ,平均 增益达 12. 28dB ;对锥削螺旋圆锥喇叭天线进行了优化设计 ,得到了比普通螺旋天线更佳的辐射性能。这些 设计结果都是传统天线设计方法难以完成的 ,表明自动设计具有比传统天线设计方法更大的灵活性和更强的 设计能力。 　　关键词 : 　螺旋天线 ; 　并行遗传算法 ; 　N EC ; 　自动设计 　　中图分类号 : 　TN82 　　　　文献标识码 : 　A 　　螺旋天线作为一类行波天线 ,是 Kraus 在 20 世纪 40 年代发明的[1～3 ] , 由于它具有结构简单, 易实现圆极 化、频带较宽等优点而得到广泛应用。传统的天线设计是建立在简化或理想化的天线结构模型 ,或者工程经验 公式的基础上 ,难以根据实际天线结构和环境 ,做到最优设计。同时较依赖设计者的经验 ,通常只对如均匀螺 旋天线等较简单天线结构有效 ,对一些较复杂天线结构 ,如锥削螺旋天线 ,传统天线设计方法难以做到精确和 高效的设计[4 ] 。近年来 ,随着计算机性能的提高 ,天线数值计算技术和现代优化算法的发展 ,利用计算机实现 ( ) ( ) 天线的自动设计得到了重视和研究。它采用矩量法、有限元 FEM 或有限时域差分 FD TD 等数值计算方法 计算天线的增益和电压驻波系数等性能参数 ,利用遗传算法和神经网格等现代优化算法 ,根据对天线的性能要 求 ,实现对天线结构的计算机辅助设计。本文将研究采用 N EC (Numerical Electromagnetics Code) 天线数值计 算程序和遗传算法 ,结合并行计算技术 , 以高增益和宽带为设计目标,实现对均匀和变形螺旋天线的自动设计。 1 　NEC 和并行遗传算法简介 　　N EC 是一类著名的天线数值计算软件 ,它首先由位于美国加利福尼亚州的Lawerence Livermore 实验室在 美国海军和空军的资助下 ,于 20 世纪 80 年代初期编写的。它以细线分段的方式模拟实际天线的结构 ,用矩量 法计算天线的电流分布 ,进而得到天线的各种辐射性能参数 , 自问世以来得到了广泛应用,计算的准确性和可 靠性为众多使用者和研究文献所证实[5 ,6 ] 。目前 ,N EC 有 N EC2 ,MiniN EC ,N EC4 等多种版本 ,本文的计算采 用 2003 年 4 月面世的一个 N EC2 最新版本“4N EC2 V5. 3 ”。 　　遗传算法是美国密歇根大学 Holland 教授模拟生物进化方式而提出的一种优化算法 ,具有搜索效率高、能 够全局寻优和通用性强等特点。遗传算法自出现后 ,一直是国内外学术界研究的一个