并行调用有限积分软件进行天线优化的算法研究与实现

论文摘要

在天线设计过程中常常涉及到最优问题,运用传统的方法对天线进行优化时,存在一定的难度和挑战,且如果天线问题比较复杂,在天线建模和求解问题的过程中由于程序的串行性或者方法的陈旧性,优化效率往往很低。针对以上问题,本文将微分进化策略作为外部优化算法,并且在MPI并行框架下,并行调用有限积分电磁仿真软件作为计算天线适应度的工具,提出了一种适合对微波无源器件进行优化的并行方案。并将此方案转化为优化程序,应用该程序对几个算例进行了优化求解,证明了本文所提出优化方案的可行性和有效性。论文首先对有限积分电磁仿真软件和微分进化策略进行了介绍,其中所采用的的电磁仿真软件基于有限积分法和理想边界拟合以及强大的三维建模功能等技术,由于其优越的性能而越来越受到电磁工作者青睐；接着研究了微分进化策略的原理以及相关参数对算法寻优性能的影响,通过测试函数验证了编制微分进化策略程序的正确性。其次本文通过编制的外部VB接口程序,将有限积分软件与外部的微分进化策略模块进行了无缝结合,且其软件本身的VBA宏语言为这种结合提供了可能性,实现了微分进化策略通过外部调用有限积分软件进行天线优化的串行程序。通过优化天线上开槽的位置和长度,设计了一款频率范围覆盖了3.1-10.6GHz的超宽带陷波天线,其陷波范围为5.62-6.01GHz,达到了天线的设计目的,证明了串行程序的可行性,也为并行优化程序奠定了基础。随后重点阐述了并行微分进化策略的几种并行方式,随着在串行程序中粗粒度并行模型和迁移算子的引入,实现了并行调用有限积分软件进行天线优化的方案,并详细介绍了该方法的步骤以及特点。分别通过串行和并行方法优化了同一款超宽带贴片天线,通过优化结果和优化时间的对比,证明了并行微分进化策略优化程序的有效性和高效性。最后应用该并行优化程序,优化设计了两款超宽带天线阵：一种是刀型喇叭天线阵,在E面和H面的双向组阵,有效了缩减了波束宽度增强了方向性,通过增加铁丝网和优化天线阵元的间距等参数,满足了辐射前后比和方向性的设计要求；另一种是Vivaldi非均匀排列天线阵,各个阵元通过H面镜像排列,明显改进了该天线阵的交叉极化,通过优化阵元间距,在降低了副瓣电平的前提下,实现了主瓣增益的提高,满足了设计要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文主要工作和创新性
• 第2章 有限积分软件与优化算法原理
• 2.1 有限积分软件
• 2.1.1 有限积分软件简介
• 2.1.2 有限积分软件的VBA宏命令
• 2.2 微分进化策略研究综述
• 2.2.1 微分进化策略原理
• 2.2.2 微分进化策略特点
• 2.2.3 微分进化原理代码测试
• 2.3 本章小节
• 第3章 基于微分进化外部串行调用有限积分软件的优化方案及程序实现
• 3.1 外部接口程序
• 3.2 串行优化程序
• 3.2.1 串行优化程序方案
• 3.2.2 串行优化程序的优点
• 3.3 串行优化程序设计举例
• 3.4 本章小结
• 第4章 粗粒度并行微分进化策略算法
• 4.1 并行微分进化策略的实现方案
• 4.2 基于MPI的粗粒度并行微分进化策略优化程序
• 4.3 优化算例——十字开槽超宽带贴片天线
• 4.3.1 超宽带天线的设计
• 4.3.2 超宽带天线的优化
• 4.3.3 超宽带天线的优化结果
• 4.4 本章小结
• 第5章 天线阵优化设计
• 5.1 刀型喇叭天线阵优化设计
• 5.1.1 刀型喇叭天线基本结构
• 5.1.2 刀型喇叭单元辐射场分析
• 5.1.3 刀型喇叭阵的设计
• 5.2 VIVALDI天线阵的优化设计
• 5.2.1 VIVALDI天线基本结构
• 5.2.2 VIVALDI天线的辐射场分析
• 5.2.3 VIVALDI天线阵的优化设计
• 5.3 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文