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新型天线高维多目标优化设计理论和技术研究

2020-11-09 101 上传者：管理员

摘要：天线是无线通信系统中不可或缺的重要元件，在时代的进步与科技的不断发展过程中，满足持续增长的系统需求，提升通信系统的综合性能，已经成为了通信系统研究的重要课题[1]。本文主要阐述了新型天线高维多目标优化设计理论，并对其技术研究进行了探讨，希望能对促进加强无线通信系统的进步提供参考。

关键词：
优化设计
农业技术研究
新型天线
高维多目标
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天线是在无线通信中有着不可替代的重要作用，其是帮助无线通信体系进行导行电磁波和辐射电磁波转换的重要装置。天线是直接和传播信道进行相互作用的射频器件，同时也是无线通信体系中电磁波的接、发终端，天线技术对于整个无线通信的发展都有着巨大的影响。在现阶段的天线技术研究中，如何对天线性能进行改善，进一步提高无线通信技术，是不可分割的关联性课题。在进行介质加载电子幻想多波束天线的设计中，通信设备对于天线的体积大小和天线性能的要求很难达到统一，因此也必须在两者之中做出调整，首先便是要通过实践研究来了解加载介质的物理限制以及其阵列构型的特点，在实际的天线优化设计之中，加载介质材料有着其难以替代的优势，值得使用与推行[2]。

一、天线优化研究中的问题

在天线种类上来一几何图形来划分，可以分为线天线和面天线，通过其原理则可以分为谐振类天线和行波类天线。其中，线天比较面天线更容易作分析，行波类天线可以调整的参数相较谐振类天线多，因此在研究之中，一般都以线天线与行波类天线作为主要研究对象。谐振类天线体积相对比较小，但是构造简单，一般由多个谐振类天线构成天线阵用于使用和研究。而随着科技的不断进步，目前阶段的天线技术也得到了极大的提高，其复杂程度也相应的提高了很多。这主要归功于数值计算理论的持续发展，还有其他方面的软、硬件的进步，在无线通信体系日渐发达的当下，对于天线技术的研究也提出了更高的标准和要求。因此，天线技术的研究与创新迎来了新的机遇和挑战，在早期的无线通信设备中，大多采用的是外置天线，其外观与结构都有着难以忽视的问题。在现阶段的无线通信体系中，天线基本已经改为内置，而为了让天线容易便集成，大多都是使用了平面天线与低姿态天线等。这些天线虽然在结构和功能上远远胜过外置天线，但其几何形状和材料特性也相比传统天线复杂，也就无法做出精确、简单的数学模型。在该类型的天线实际应用过程中，必须满足相对较强的辐射效率;相对较弱的电磁干扰，还有能够在多个频段进行工作。而无线通信要求天线的体积不能过大，越小越好，而无线通信的小体积天线，往往无法满足天线宽带和效率等性能要求。这也就导致了在无线通信设备中的天线设计优化难度变的更高。在科技发展过程中，电磁场数字计算理论和计算方法已经得到了明显的飞跃，但现阶段的天线电磁场逆与综合优化仍然处于摸索期，在实际设计中，普遍是依靠经验和人工调解来进行设计优化的，这种方法的设计时间要求长且无法设计出最优性能的天线，无法对无线通信体系的天线高性能需求进行满足。

在现阶段的天线优化研究之中，已经证明了即便是如电源阵等最基础的天线设计问题，都经常会出现强烈的非线性特征，还会出现多个局部最优点的问题。在进行天线设计的实际过程之中，特别是平面天线设计之中，其性能分析必须要使用电磁场数值进行计算，此外，各种设计应用需求的差异，可能会导致差异性甚至冲突性的性能要求标准。因此在进行平面天线的优化设计之中，因为电磁场数值分析应用于正问题时，会让各种以梯度信息为基础的传统优化手段效率降低，无法作为最优方法进行设计，例如在模式搜索和拟牛顿法等一系列搜索策略之中，其对搜索空间有着较高的要求，进行多个极值点的非线性数学规划问题过程中也无法确定搜索的最优解为全局最优解。这也造成了现阶段，天线优化设计的优化算法基本上是通过目标函数值、具备了全局搜索能力的进化类优化算法作为主要算法，以这类算法为基础，逐渐发展而出的多目标优化算法也逐渐受到了普遍的认可和应用。

二、多目标算法现状

对天线进行优化设计之前必须要先将目标函数进行定义，在进行多目标优化时，首先明确优化目标，研究出满足某一特定约束条件的特定矢量，这个特定矢量要满足决策者的偏好，且对比其他的可能矢量更好。在此过程之中，必须要清楚多目标函数在大多数情况之下存在彼此冲突的现象，因为若不存在彼此冲突，该问题最终会变为单目标函数优化问题。以引入偏好来说，在现阶段的优化研究之中普遍分为先验和后验。先验是指在进行优化之前引入，企图一次性解决决策者的偏好问题，直接找出最优解。后验一般是存在解集，多个解构成的解集当中必须包含决策者所需要的解。在优化过程之中，决策者可以通过主观判断任意解的好坏，但是在实际的优化研究过程之中，很难使用数学语言去对该解的优劣进行表达，这也是限制使用先验方法的最大因素，所以在目前的优化过程中，一般使用后验的方法。而后验的方法，普遍是在不预设偏好的情况之下，进行Pareto最优概念的引入，因为此过程涉及的目标函数极多，互相冲突，无法对多个矢量进行判断，也就有了非控集的出现，非控集是没有办法进行改良的，也就是Pareto最优概念[3]，而这一解集也就是Pareto最优解集，在目标空间中的图像便是Pareto前端。

三、天线多目标优化现状

在目前阶段多目标优化算法在天线优化设计之中应用广泛，但目前的多目标优化理论与技术发展尚不完备，多目标优化问题的目标函数一般都是最为关键的性能指标，例如增益问题和阻抗问题等，而除了该项指标外基本都作为约束条件进行解决。而且，在目前的优化过程中，仍然有很多工作使用了加权的方式进行聚合目标，多目标优化的应用仍然处于发展和不成熟阶段。

(1)目标函数在一般情况下存在多个极值点，具有线性程度高的特点。因此，在进行优化研究之中，多个目标函数的设计参数敏感程度也各不相同，十分复杂，这也导致研究中容易出现天线Pareto前端发生间断点等问题。

(2)在进行天线的性能分析研究与计算过程中对于计算资源的需求十分巨大，在现阶段的分析研究之中基本无法实现全局进化算法的全局收敛要求。在计算过程里，就算使用了基函数、响应面等多种降阶模型，其计算资源的需求依旧难以达到要求。

(3)在目前阶段的天线优化设计中，多目标优化设计一般都会选择在三个目标之内，而实际的研究中并非如此，大部分的天线设计应该满足的约束和性能指标普遍会大于三个，而且大部分天线就算是三个目标之内，Pareto前端仍然没有办法给出，普遍是给出多个非控解[4]。

(4)在具体的天线综合问题之中，包含以下两种约束条件，其一，几何条件，该条件是在进行天线分析建模过程中的必须处理问题，若是不能对该类约束条件进行处理，其目标函数值不能计算，那么天线性能的研究分析工作也会随之中断。针对这个问题，在使用启发性式搜索算法自动设计的研究过程之中，必须要对更复杂的建模约束条件进行设计、计算。在进行该项工作时，改进设计可能会受到人为限制调整参数的影响，特别是在平面类天线的优化和设计之中最为常见，而集体如何解决这个问题，目前尚没有有效的定论。其二，设计偏好，该中约束条件主要取决于设计者，在加权式目标优化算法的应用之中，可以在一定程度上对设计者偏好的约束条件进行满足，但是因为加权式目标优化算法存在很多问题，在现阶段的研究之中已经很少出现。设计偏好的出现，能够帮助计算机的资源得到很好的程度的减少，但在目前的天线优化设计之中，还没有出现能够将设计偏好融合于多目标优化的方法和手段。

目前的天线优化设计现状之中，其主要问题是，现阶段的以非控解集为基础的各种多目标优化算依旧没有出现能够顺利处理三个及三个以上的目标函数优化问题的方法。而目标函数的不断增加，以非控解集为基础的各种多目标优化算会逐渐转变为盲目随机搜索，呈一种退化的现象。在工程应用之中，天线优化设计有着多种约束条件，因此，天线的性能标准也是各不相同，存在较大差异，在完成优化问题的归结之后，往往会出现超过三个目标需要优化的情况。该类问题大量出现在新型天线的开发设计当中，因为新型天线各个性能指标间的关系较难有准确认识，导致了设计方法也难以对其进行满足。天线多目标优化在现阶段必须要有高维，即目标数超过三个的多目标优化设计理论和技术支持，可以促进提升天线的设计优化时间，减少工程周期，还能够帮助设计者加深对新型天线设计方案的认知，这一设计的意义巨大，有着非常广阔的应用可能性。

四、结语

综上所述，基于无线通信设备需求的新型天线设计与优化是现阶段天线和微波研究的重要课题，天线的设计优良与否、性能高低等因素都会直接对通信体系造成巨大影响。而从电磁场逆这一方面进行探讨，是新型天线设计与创新的主要研究方向，通过该方向对新型天线进行高维多目标优化设计，对于促进推动无线通信体系的发展，加强天线优化设计的进度，缩短设计研究周期时间，都有着非常重要的积极意义。

参考文献：

[1]董健,钦文雯,李莹娟,等.基于改进反向传播神经网络代理模型的快速多目标天线设计[J].电子与信息学报,2018,40(11):2712-2719.

[2]范立行,华梦,黄永明,等.3DMIMO在无线携能通信系统中的应用和优化设计[J].电子与信息学报,2018,40(5):1031-1036.

[3]谭阳,唐德权,曹守富.基于超球形模糊支配的高维多目标粒子群优化算法[J].计算机应用,2019,39(11):3233-3241.

[4]朱春阳,郭晓彤,孙浩然,等.基于极值点搜索和非支配排序的高维多目标优化算法[J].小型微型计算机系统,2018,39(1):32-36.

刘海妹.新型天线高维多目标优化设计理论和技术研究[J].科技风,2020(31):74-75.