采用遗传算法设计的车载GPS／IRIDIUM天线

EdwardE.Altshuler

文章摘要:本文介绍了一种车载线天线，该天线采用遗传算法业设计，它既可以用于GPS系统，也可以用于IRIDIUM系统。这种天线具有右旋圆极化和半球覆盖性能，其工作频段为1225－1625MHz。这种天线采用数字电磁代码（NEC）来模拟，然后加以制作和测试。它由5个串联的铜管线段（segment)组成，其形状非常奇特，而且价格非常便宜，其体积近似为10cm×10cm×15cm。计算并测量了输入电压驻波比（VSWR）和圆极化辐射方向图。VSWR在1225MHz、1575MHz和1625MHz设计频率上小于2.2。在170°的天线扇区内天线增益的变化小于12dB。一般来说，增益会在水平线附近减小。因此，在天线扇区为150°和160°时天线增益的变化更小。这种新的天线设计采用了遗传算法和电磁码，它有几种非常特殊的天线结构，这些天线结构都已被证明其工作性能比常规设计的工作性能好。
文章主题:遗传算法 设计 车载线天线 GPS IRIDIUM

文章内容：采用遗传算法醋计的车载/无线采用遗传算法设计的车载/天线.【摘要】本文介拓了一种车栽线天线,该天线采用遗传算法采设计,它既可以用于6系统,也可以用于系统.这种天线具有右旋圆极化和半球覆盖性能,其工作频段为1225—1625.这种天线采用数字电磁代码()来模拟,然后加以制作和测试.它由5个串联的铜管线段()组成,其形状非常奇特,而且价格非常便宜,其体积近似为101015ⅲ.计算并测量了输八电压驻波比()和圆极化辐射方向图.在1225,1575和1625姗设计频率上小于2.2.在170.的天线扇区内天线增益的变化小于12一般来说,增益会在水平线附近减小.因此,在天线扇区为150.和160.时天线增益的变化更小.这种新的天线设计采用了遗传算法和电磁码,它有几种非常特殊的天线结构,这些天线结构都已被证明其工作性能比常规设计的工作性能好.1引言导航以及地球对卫星的移动通信系统通常需要采用地面天线.这些天线为圆极化天线,它们应具有接近半球覆盖,而且能使多径反射所产生的干扰减至最小.圆极化特性对那些低于3频率上工作的系统来说是不可或缺的,这是因为电离层产生的法拉第旋转会使线性极化发射信号偏离接收天线的校准方向,而圆极化的信号则可避免产生这一问题.接近半球覆盖也是一种很需要的特性,这是因为除了很低的仰角之外,我们在地平线之上的任何地方通常使用地面天线来接收卫星信号,这些信号中也许有多径分量,它们会破坏系统的性能.目前,虽然在这些应用中经常使用螺旋天线或贴片天线,但是这些天线的频带一般太窄,因此,使用一个单元不可能覆盖整个频带.此外,它们也经常需要采用一个相位网络,这会使它们的结构更加复杂,成本更高.对各种全球定位系统()天线分析证明:双线圆锥螺旋天线的性能优于贴片天线和螺旋天线的广播频率为1575.4(用于粗捕获)和1227.6(用于2精确码).这些信号采用了右旋圆极化()特性.接收天线需要接近半球覆盖,以便它能够接收仰角大约超过5.的卫星信号.是一种新的低轨()全球移动卫星通信系统.它的工作频段为16101626.5,采用右旋圆极化(),而且接近半球覆盖.我们预计今后在许多车辆上将会采用系统和系统.元线段抗十执技术本文叙述了一种具有一个同轴线输入的天线,其工作频段大约为1225～1625,因此,它覆盖了和系统的所有频率.这种天线当仰角大约超过5.时辐射正常的右旋圆极化()信号,并采用遗传算法()㈦以及电磁码来设计.利用这种方法可确定天线的波束,'和频带,而且还可以综合生成最接近上述这些特性的天线结构.当获得一种设计以后,我们就可对该天线进行更深入的计算和分析,然后通过制作和测试证明这些结果.2方法首先,我们必须确定一个含有需最佳化处理的参数的成本函数.其次,使用遗传算法()从可能组合的总群体中随机选择某个采样群体集组合.对这个群体中每一个成员的性能进亍评估.并对每一成员各自的性能与成本函数中所规定的希望或理想的性能进行比较,然后,将一个数字返回到,即其适合性的度量.就如人类进化过程中"适者生存一样,优质染色体配对后繁衍了子孙后代,而劣质染色体却从群体中被淘汰.子孙后代的繁衍经历了许多不同的阶段,而每一个阶段实质上就是一种信息组合的方法,这种信息来自于孕育成一个其潜质优于父母亲的小孩的父母染色体.假如"世世代代"成功地繁衍下去,染色体的质量就会不断地提高,最终实现最佳的结果.天线设计的方法与喂养"赛马"的方法相类似,这里的"马为天线设计,而"跑道"为确定天线性能的模拟工具."冠军"将有许多子孙后代,而那些表演不好的参与者将会死亡,他们没有子孙后代.即使当有待处理的问题会有许多互相有关的未知数和一个大而复杂的难以对付的接索空间时,方法的性能也比其它搜索方法的性能好.不会局限在极大值或极小值内,它能在搜索空间内,如所要描述的天线设计问题的情况一样获得很好的性能.进行研究过程中,首先由随机选择一个由175个潜在的天线结构组成的群体,这个群体能够满足该问题的制约条件,所有天线结构的信息(例如起始点和终止点以及线的尺寸)被编码成一组称为实染色体的数字3.根据成本函数评估了这个群体中每一个数字的性能,进而将每一种天线结构的性能与所希望的或理想的性能进行比较.评估成本函数要涉及到这样一些过程,即使用电磁码对群体中每一个数进行模拟,并将这些模拟结果与所希望的结果进行比较.第二版(2)用于这种设计我们建立的天线设计程序采用了稳态(即当前群体的一部分转入到下一代).当所有染色体都己被评估后,染色体群体中最高有30%的染色体从每一代中保存下来.然后,采用这些染色体来产生补充该群体其余部分的子孙后代,实际上是根据每一种染色体的适配程度来充填虚拟的"加权滚轮",染色体越合适,其共享轮子的程度越高.对于每一个新位置,"旋转"轮子一次,选择第一代父母,再"旋转"轮子一次,则选择第二代父母.真正的染色体采用平方和启发性交叉方法来配对繁衍口.采用遗传算法设计的车簸/天线为了使这种天线具有最佳的性能.我们就允许找到一种产生所要求特性的结构,符合最基本的限制条件:天线尺寸,激励源,线数和地平面.我们在前面研究了一组曲折线的天线,这种天线使用3～8根线串联联结而成.我们发现对于这个带宽,好象采用5根线的天线为最佳.我们的目标就是要获得右旋圆极化(),在半球覆盖范围内的仰角为超过地平线5.,而且在1225,1575和1625频率上的天线驻波比()大约小于2.0.当仰角为0—85～+85,方位角为.～=175.,频率为1225,1575和1625时,程序计算了步进增量为5的半球辐射方向图,然后,读出2的输出,进而计算半球覆盖范围内的平均增益以及所有测量点偏离平均值的平方和.它也可以计算这些频率上的电压驻波比(),其公式为:=((矬'-1……的目标就是使这个分值达最小值.选择时,我们考虑方向图的因素要比考虑的因素更多,这是因为方向图不可以改变,而若高,则仍然有可能采用匹配技术来满足系统的指标要求.3结果最终获得的天线被称之为"曲折线遗传天线161.这种天线采用可以很快