基于區(qū)域分解法的天線優(yōu)化設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及電磁場與微波技術(shù)領(lǐng)域，特別是設(shè)及一種基于區(qū)域分解法的天線優(yōu)化 設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在復(fù)雜目標(biāo)的電磁特性分析問題中，其目標(biāo)結(jié)構(gòu)往往具有電大尺寸或幾何復(fù)雜多 尺度的特點，如在電大載體的天線設(shè)計問題中，平臺一般是電大尺寸居多而天線結(jié)構(gòu)較為 精密，靈活高效得對上述目標(biāo)進行電磁分析一直W來是學(xué)術(shù)界關(guān)注的焦點，進一步對其進 行優(yōu)化設(shè)計通常面臨更大的挑戰(zhàn)。
[000引為解決電大尺寸及多尺度問題，可W采用直接的計算電磁學(xué)方法，如抑TD、陽M、MOM等，但是W上傳統(tǒng)方法的使用一般局限于適當(dāng)?shù)碾姵叽绾徒Y(jié)構(gòu)簡單的問題中。在多尺度 問題中，若是對目標(biāo)整體都采用精密剖分，勢必會帶來過大的未知量個數(shù)，該會使問題的處 理消耗巨大的資源，加重計算負(fù)擔(dān)；使用多尺度的方式處理目標(biāo)，剖分電大光滑的部分采用 較粗均勻網(wǎng)格，剖分精細(xì)部分采用較細(xì)密集網(wǎng)格，網(wǎng)格特性會造成本征值矢量和分布有較 大差別，容易產(chǎn)生病態(tài)的阻抗矩陣，使用傳統(tǒng)的矩陣求解方法時不易收斂。特別是在優(yōu)化問 題中，針對目標(biāo)的每個優(yōu)化結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)計算方法無法自動完成網(wǎng)格更新，必須對整體重新剖 分離散化再計算，該是優(yōu)化過程的一大阻礙。
[0004] 在上述問題中使用大家熟知的基于計算電磁學(xué)的商用仿真軟件，如CST、陽K0、 HFSS等，操作簡單，結(jié)果直觀，能夠完成目標(biāo)的基本建模和電磁性能的調(diào)試。但在電大尺寸 及幾何多尺度問題中對每個幾何狀態(tài)需要重復(fù)調(diào)用軟件，計算效率低下，并且針對具體問 題時的計算靈活度差，在優(yōu)化問題中軟件自帶優(yōu)化工具具體參數(shù)的可調(diào)節(jié)可操作性不強。
[0005]使用傳統(tǒng)計算電磁學(xué)方法或者商業(yè)軟件仿真都不易直接得到精確結(jié)果，而優(yōu)化設(shè) 計若通過實地測試的方式獲得反饋數(shù)據(jù)不僅局限于測試設(shè)備及環(huán)境，還會拉長設(shè)計周期， 消耗大量人力物力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于區(qū)域分解法的天線優(yōu)化設(shè) 計方法，結(jié)合了快速高效的電磁場數(shù)值計算方法的優(yōu)化方法，能夠?qū)?fù)雜目標(biāo)進行快速的 電磁分析和靈活的優(yōu)化設(shè)計。
[0007] 本發(fā)明的目的是通過W下技術(shù)方案來實現(xiàn)的；基于區(qū)域分解法的天線優(yōu)化設(shè)計方 法，包括W下步驟：
[0008]S1.建立天線和載體的幾何模型，并將該幾何模型劃分成若干個閉合子區(qū)域，且每 個子區(qū)域獨立剖分；
[0009]S2.利用粒子群優(yōu)化算法初始化各粒子的速度信息和位置信息，所述粒子為待優(yōu) 化子區(qū)域的坐標(biāo)信息；
[0010]S3.將粒子的位置信息傳輸?shù)酱齼?yōu)化子區(qū)域的幾何模型中，利用非共型的積分方 程區(qū)域分解法對天線和載體的幾何模型進行電磁分析；
[0011] S4.將電磁分析結(jié)果帶入適應(yīng)度函數(shù)，得到適應(yīng)度值；
[0012] S5.根據(jù)適應(yīng)度值更新個體極值和群體極值；
[0013] S6.根據(jù)適應(yīng)度值、個體極值和群體極值更新粒子的速度信息和位置信息；
[0014] S7.重復(fù)步驟S3~S6,直到粒子的速度信息和位置信息的更新迭代次數(shù)達到設(shè)定 值。
[0015] 所述步驟S3包括W下子步驟：
[0016] S31.將粒子的位置信息傳輸?shù)酱齼?yōu)化子區(qū)域的幾何模型中，改變該待優(yōu)化子區(qū)域 的幾何信息；
[0017] S32.計算待優(yōu)化子區(qū)域的積分方程；
[0018] S33.利用積分方程和邊界條件計算各子區(qū)域的散射場；
[0019] S34.通過迭代計算各子區(qū)域之間的禪合，更新各子區(qū)域的表面電流。
[0020] S35.重復(fù)步驟S33~S34,直到迭代達到口限值，得到天線和載體的幾何模型的電 磁分析結(jié)果。
[0021] 步驟S33包括W下子步驟：
[0022] S331.根據(jù)待優(yōu)化子區(qū)域的積分方程和邊界條件計算各子區(qū)域的表面電流；
[0023]S332.根據(jù)該子區(qū)域的表面電流計算該子區(qū)域產(chǎn)生的散射場。
[0024] 步驟S34中，當(dāng)電磁場的場點位于相鄰子區(qū)域的接觸面上時，根據(jù)區(qū)域分解法的 傳輸條件得到該接觸面上的電流關(guān)系，根據(jù)該接觸面上的電流關(guān)系進行區(qū)域間迭代。
[0025] 計算待優(yōu)化子區(qū)域的積分方程時，該待優(yōu)化子區(qū)域的激勵源包括天線和載體的幾 何模型的入射場W及其他子區(qū)域的散射場。
[0026] 進一步的，還包括設(shè)置粒子群優(yōu)化算法的粒子個數(shù)和優(yōu)化代數(shù)的步驟。
[0027] 本發(fā)明的有益效果是：
[0028](1)在目標(biāo)電磁分析的電大尺寸和多尺度問題中，積分方程區(qū)域分解法的計算能 夠控制網(wǎng)格尺度，減少未知量數(shù)目的同時，使算法更易于收斂；
[0029] (2)因非共型技術(shù)的引入，使得幾何建模擁有高度靈活性；
[0030] (3)僅需要在最初目標(biāo)分區(qū)后對各個子區(qū)域進行一次獨立剖分，避免優(yōu)化過程中 重復(fù)幾何剖分，大大節(jié)約了優(yōu)化設(shè)計的復(fù)雜性；
[0031] (4)優(yōu)化算法與區(qū)域分解法結(jié)合，保證了優(yōu)化過程中的高度幾何建模靈活性，同時 保證了計算精確度。
【附圖說明】
[0032] 圖1為本發(fā)明基于區(qū)域分解法的天線優(yōu)化設(shè)計方法的流程圖；
[0033] 圖2為天線和載體的幾何模型的電磁散射示意圖；
[0034] 圖3為幾何模型分割為兩個子區(qū)域時區(qū)域分解法算法的原理示意圖；
[00巧]圖4為實施例一中飛機模型的區(qū)域分解示意圖；
[0036] 圖5為實施例一中飛機模型雙站雷達散射面積計算結(jié)果；
[0037] 圖6為實施例一中區(qū)域分解法與多層快速多極子收斂性對比圖；
[0038] 圖7為實施例二中通訊天線的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039] 圖8為實施例二中天線的輸入反射系數(shù)；
[0040] 圖9為實施例二中天線的E面方向圖計算結(jié)果；
[0041] 圖10為實施例二中天線的H面方向圖計算結(jié)果；
[0042] 圖11為實施例二中直升機模型的區(qū)域分解示意圖；
[0043] 圖12為實施例二中通訊天線裝載到直升機模型上之前的方向圖計算結(jié)果；
[0044] 圖13為實施例二中通訊天線裝載到直升機模型上之后的方向圖計算結(jié)果；
[0045] 圖14為實施例二中通訊天線優(yōu)化方向圖的對比結(jié)果。
【具體實施方式】
[0046] 下面結(jié)合附圖進一步詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案，但本發(fā)明的保護范圍不局限于 W下所述。
[0047] 如圖1所示，基于區(qū)域分解法的天線優(yōu)化設(shè)計方法，包括W下步驟：
[0048] S1.建立天線和載體的幾何模型，并將該幾何模型劃分成若干個閉合子區(qū)域，且每 個子區(qū)域獨立剖分；
[0049] S2.利用粒子群優(yōu)化算法初始化各粒子的速度信息和位置信息，所述粒子為待優(yōu) 化子區(qū)域的坐標(biāo)信息；
[0050] S3.將粒子的位置信息傳輸?shù)酱齼?yōu)化子區(qū)域的幾何模型中，利用非共型的積分方 程區(qū)域分解法對天線和載體的幾何模型進行電磁分析；
[0051] S4.將電磁分析結(jié)果帶入適應(yīng)度函數(shù)，得到適應(yīng)度值；
[0052] S5.根據(jù)適應(yīng)度值更新個體極值和群體極值；
[0053] S6.根據(jù)適應(yīng)度值、個體極值和群體極值更新粒子的速度信息和位置信息；
[0054] S7.重復(fù)步驟S3~S6,直到粒子的速度信息和位置信息的更新迭代次數(shù)達到設(shè)定 值。
[00巧]所述步驟S3包括W下子步驟：
[0056] S31.將粒子的位置信息傳輸?shù)酱齼?yōu)化子區(qū)域的幾何模型中，改變該待優(yōu)化子區(qū)域 的幾何信息；
[0057] S32.計算待優(yōu)化子區(qū)域的積分方程；
[0058] S33.利用積分方程和邊界條件計算各子區(qū)域的散射場；
[0059] S34.通過迭代計算各子區(qū)域之間的禪合，更新各子區(qū)域的表面電流。
[0060] S35.重復(fù)步驟S33~S34,直到迭代達到口限值，得到天線和載體的幾何模型的電 磁分析結(jié)果。
[0061] 步驟S33包括W下子步驟：
[0062] S331.根據(jù)待優(yōu)化子區(qū)域的積分方程和邊界條件計算各子區(qū)域的表面電流；
[0063] S332.根據(jù)該子區(qū)域的表面電流計算該子區(qū)域產(chǎn)生的散射場。
[0064] 步驟S34中，當(dāng)電磁場的場點位于相鄰子區(qū)域的接觸面上時，根據(jù)區(qū)域分解法的 傳輸條件得到該接觸面上的電流關(guān)系，根據(jù)該接觸面上的電流關(guān)系進行區(qū)域間迭代。
[0065] 計算待優(yōu)化子區(qū)域的積分方程時，該待優(yōu)化子區(qū)域的激勵源包括天線和載體的幾 何模型的入射場W及其他子區(qū)域的散射場。任一子區(qū)域的散射場都是其他子區(qū)域的激勵源 的一部分。
[0066] 進一步的，還包括設(shè)置粒子群優(yōu)化算法的粒子個數(shù)和優(yōu)化代數(shù)的步驟。
[0067] 進一步的，還包括設(shè)置粒子的速度信息和位置信息的更新迭代次數(shù)的步驟。
[006引粒子群優(yōu)化算法的數(shù)學(xué)描述為；假設(shè)在n維捜索空間里，由m個粒子組成種群X= (Xi，X2, 其中，第i個粒子的位置為Xi= (Xi,i，Xi,2，...'XlJT，粒子速度為Vi= (Vi, 1，乂1,2，'''，乂1，。)\粒子的個體極值為91=(91,1，91,2，'''，91，。)。亥種群的全局極值為口6 = (Pg,l，Pg,2，…，Pg，n)T。
[0069]步驟S6中子區(qū)域的速度信息和位置信息的更新公式為：
[0072] 式中；伯一粒子i在第k代中第d維的速度，嗦"一粒子i在第k+1代中第d維 的速度，W -慣性權(quán)值，Cl-加速常數(shù)，C2-加速常數(shù)，rand(0, 1) -介于0和1之間的隨機 數(shù)，粒子i在第k代中第d維的位置，粒子i在第k+1代中第d維的位置， -粒子i的第d維在第k代的位置個體極值，一粒子群的第d維在第k代的全局極值。
[0073] 朗尋計算目標(biāo)分成兩個子區(qū)域為例，如圖2和圖3所示，將天線和載體的幾何模型 分割為兩個閉合的子區(qū)域口1和子區(qū)域Q2時，步驟S3中利用非共型的積分方程區(qū)域分解 法對全金屬幾何模型進行電磁分析的原理如下：
[0074] 傳統(tǒng)方法中使用積分方程方法對金屬目標(biāo)進行電磁分析時，入射電場EiM在自由 空間中直接作用于整個幾何模型。定義子區(qū)域的表面說^ =rtUt，定義子區(qū)域 〇2的表面：^;=30;=巧11^，其中5.(/=1，2)表示子區(qū)域1和原區(qū)域〇相同的外表面 部分，6 =r, nr，n表示分割子區(qū)域后子區(qū)域i新增的接觸面，Ji和/,+分 別表示子區(qū)域表面6和「;上的表面電流，*'!,表示Q康面的單位向量。
[00巧]定義子區(qū)域i的入射電場為巧Wf，子區(qū)域i的入射電場為wff，將幾何模型分割 為若干子區(qū)域后，任一子區(qū)域的入射場包括分割前該子區(qū)域的入射場和分割后其它子區(qū)域 的散射場。W子區(qū)域口1為例，它的入射場可用如下公式（3)表示：
[0076]
[0077