基于形状融合算法的宽带/超宽带天线自动化设计和优化方法研究

In recent years, with the rapid development of the modern wireless communication technology, a lot of different kinds of wireless systems and devices have been invented and developed. Therefore, it becomes a meaningful and challenging work to design the antenna according to the specifications of different systems effectively and efficiently. Planar printed antenna, due to its low profile, light weight and easy integration with other devices and circuits, have been widely used in various wideband systems. In the project, we propose an original approach to apply the shape blending algorithm on the design process of the wideband planar printed antenna. The full-automation design and optimization method will be explored. Firstly, the relationship between the geometry structure of the printed antenna and its impedance bandwidth and other properties will be systematically investigated. The application of shape blending on the wideband antenna design process is the main focus of the project, and will be compared with other conventional intelligent automation design methods for validation. The combination of shape blending and other intelligent algorithms will be fully discussed as well. At the same time, the automatic acquisition of different wide bandwidths will be studied to conform to the specifications of different wireless systems, and to increase the robustness, extensibility and universality. Based upon the results of the project, it is promising to get rid of the over reliance on experience of the designer in the antenna design process, and provide a doable design guidance for various wideband antennas.

随着无线通信技术的快速发展，各类无线系统和设备种类越来越多，对天线的要求也各不相同，因此如何能快速有效地根据不同系统的要求进行天线设计，成为一个极具挑战和有意义的问题。平面印刷天线，由于具有剖面低、重量轻、易于集成等优势，被广泛应用于各种宽带天线的设计中。本项目创造性地将形状融合算法应用于平面印刷宽带天线的设计过程中，研究平面印刷宽带天线的全自动化设计和优化方法；在系统研究印刷平面宽带天线的几何结构对于天线阻抗带宽等性能的影响的基础上，重点研究形状融合算法在宽带天线设计过程中的应用，并与其他智能算法相比较；探索形状融合算法与其他智能算法结合使用进行宽带天线的自动化设计方法；自动化实现多种宽频带特性的获取，以满足不同无线系统的需求，提高设计方法的鲁棒性，扩展性和普适性；以期望降低天线设计过程中，对于研究人员设计经验的过度依赖，为各类宽带天线的设计起到操作性强的指导作用。

本项目深入研究了宽带天线/超宽带天线的自动化设计和优化算法，创造性地提出将形状融合算法运用于平面印刷天线的自动化设计与优化设计过程中。具体研究成果如下：.1.天线设计工具包的创建与完善。研究了将Python和HFSS结合来进行天线仿真，使得整个仿真过程都不需要用户进行手动操作，全部由计算机自动完成，极为高效和灵活。此工具包支持以下功能：脚本自动生成，3D模型构建和求解，激励源的设置，数据输出等各种基本HFSS操作。本项目中对于形状融合算法的后续研究工作也是基于此工具包进行的。.2.研究了形状融合算法应用在平面天线设计过程中的可行性，并且使用形状融合算法对辐射贴片进行优化，从而设计出两种平面宽缝隙UWB天线：十字架与矩形的融合和圆形与菱形的融合。给出了两对形状来分别应用形状融合算法进行优化，这是为了更好的说明此算法对不同形状的适用性和可扩展性。.3.研究了利用形状融合算法获取具有连续带宽的一系列天线，即多频带的获取。实现了三种多频带的获取，前两种是基于CPW平面宽缝隙天线，其辐射贴片的几何形状分别是由圆形与菱形进行融合得到，以及由圆形与矩形进行融合得到；第三种是单极子天线，其辐射贴片的几何形状是由十字架与矩形进行融合得到。.4.研究了利用形状融合算法对于CPW平面宽缝隙天线的宽缝隙形状进行自动化设计与优化，从而说明形状融合算法可以应用于天线不同几何结构的设计与优化上，证实其普适性。.基金的主要研究成果有：.1.发表SCI期刊论文10篇，其中第一作者3篇 .2.参加国内外学术会议三次.3.申请发明专利一项.4.培养硕士研究生两名，协助培养博士生一名.综上，本项目按计划完成了《基于形状融合算法的宽带/超宽带天线自动化设计和优化方法研究》既定的研究内容和研究目标，研究成果将有助于推动各种智能算法在天线设计中的应用，为进一步探索和研究各类最新的人工智能算法，比如深度学习，在天线设计中的应用打下良好的基础。