基于PSO可穿戴天线的设计和优化

发布时间：2017-08-20 04:11

  本文关键词：基于PSO可穿戴天线的设计和优化

  更多相关文章： 粒子群算法 遗传算法 对跖Vivaldi天线 可穿戴 微带天线 HFSS

【摘要】：脑中风,顾名思义就是脑部出血或者缺血性损伤为主要症状的临床疾病,亦称之为脑血管意外或者脑卒中,并且具有很高的致残率和病死率,也是世界上十大致死疾病中死亡率最高的疾病之一。而脑中风的致死率也会随着年龄的增大呈现出上升的趋势,由于在治疗过程中一直缺乏行之有效的措施,目前普遍认为最好的治疗措施就是预防;预防采用的方法一般是采用核磁共振,CT等价格昂贵的医疗器械,这对于边远山区的人们及普通医疗诊所是难以承受的,因而在推广方面具有极大的困难。近年来,随着微波成像技术成为了各大医疗器械公司及高校的重点研究方向,脑中风检测技术也得到了极大的推广;而在这一检测系统中,天线模块中信号的发射与接收的结果会直接影响到成像的效果;要使成像效果更加清晰且更易携带,通常设计一款体积小、重量轻、结构紧凑的天线用于收发信号是微波探测信号采集和成像的前提。然而,在天线设计优化的过程中,复杂结构超宽带天线的多参数和非线性以及仿真工具运行的长耗时都对性能优化提出严峻挑战。而智能优化算法作为一类求解非线性问题的高效优化算法,其原理简单,全局寻优的成功率高,鲁棒性强,适用于各种复杂优化问题,并在天线优化领域取得广泛应用。借助于智能算法在天线优化方面的成就,使得天线的主要性能参数能够满足于特定的技术要求等,天线的设计效率得到了极大提高。之后本文利用粒子群这一智能算法与遗传算法分别对超宽带对跖Vivaldi天线进行优化对比。考虑到进一步的可穿戴性研究,文章还对天线结构,导体材料特性,打印制作技术,绝缘体材料特性等方面对柔性材料进行研究与论述。通过研究后选择合适的材料,利用改进的PSO和HFSS对微带天线进行设计仿真和优化;最后,通过修改天线的结构,利用HFSS来模拟在实际运用中天线受外部环境影响而产生变化后,天线的相关性能参数的变化。本文的主要研究成果可分为总结为以下几个方面:(1)引入了HFSS-API,利用这一工具通过MATLAB编程,可以建模复杂的天线结构;并且可以利用除了HFSS电磁仿真软件中集成的优化方法之外的算法进行对天线的优化。本文成功通过这一接口工具编程设计了一款超宽带对跖Vivaldi天线。(2)提出了将改进的粒子群算法(PSO)应用于超宽带对跖Vivaldi天线的优化,并且与HFSS优化模块中的遗传算法进行对比,结果表明:当天线工作在1.8-5GHz,初始条件一致的情况下;在工作带宽内,优化目标为回波损耗大于10dB,在达到优化目标时,粒子群优化算法在时间的耗费上比遗传算法减少了20%。(3)根据优化结果加工出一款对跖Vivaldi天线,并对天线的性能进行了测试;当天线工作在5GHz时,天线增益最大可达到为9.8dB,波瓣宽度达到了60o;此外,将天线作为脑中风检测系统的收发天线,检测结果能够清楚的显示待检测物体位置和大小,证实了改进的粒子群算法在实践中的可行性。(4)利用粒子群算法和HFSS优化设计出微带天线,为使得天线更加具有可穿戴的特性,采用柔性材料作为天线的基本材料,并且通过改变天线的弯曲形状和电介质常数来模拟现实生活中天线可能遇到的外力因数引发的弯曲形变和汗水及其他外在因数引发的介电常数的改变对天线的性能影响。
【关键词】：粒子群算法 遗传算法 对跖Vivaldi天线 可穿戴 微带天线 HFSS
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN820
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第1章 绪论11-15
• 1.1 研究背景和意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-13
• 1.3 论文主要工作安排13-15
• 第2章 超宽带天线及优化算法的理论基础15-24
• 2.1 超宽带天线(UWB)的结构与定义15-16
• 2.1.1 超宽带天线基本概念15
• 2.1.2 超宽带天线性能15-16
• 2.2 天线主要电参数介绍16-19
• 2.2.1 方向图16-17
• 2.2.2 效率17
• 2.2.3 天线增益17-18
• 2.2.4 输入阻抗18
• 2.2.5 超宽带天线的极化18-19
• 2.3 粒子群算法的理论基础19-22
• 2.3.1 粒子群算法的概念19-20
• 2.3.2 粒子群算法的描述20-21
• 2.3.3 粒子群算法的流程21-22
• 2.3.4 粒子群在天线优化中的应用22
• 2.4 本章小结22-24
• 第3章 超宽带天线的设计24-39
• 3.1 超宽带天线的设计需求分析24
• 3.2 天线原型的选择24-33
• 3.2.1 Vivaldi天线的相关理论25-27
• 3.2.2 电流在Vivaldi天线的分布27-28
• 3.2.3 传统Vivaldi天线28-30
• 3.2.4 对跖Vivaldi天线30-31
• 3.2.5 对跖Vivaldi天线结构的设计31-33
• 3.3 基于HFSS天线自动优化设计平台的搭建33-37
• 3.3.1 天线设计和仿真系统34-36
• 3.3.2 基于Matlab的天线设计工具36-37
• 3.3.3 天线自动设计和优化流程设计37
• 3.4 一种对跖Vivaldi天线的设计37-38
• 3.5 本章小结38-39
• 第4章 改进的粒子群算法优化超宽带天线39-49
• 4.1 传统粒子群算法优化天线39-40
• 4.2 改进的粒子群算法优化天线40-43
• 4.3 对优化的天线进行测试对比43-47
• 4.3.1 天线尺寸及优化耗时对比43-44
• 4.3.2 实测天线回波损耗对比及分析44-45
• 4.3.3 实测天线增益对比45-46
• 4.3.4 天线E平面与H平面测量46-47
• 4.4 对跖Vivaldi天线在微波成像的应用47
• 4.5 本章小结47-49
• 第5章 可穿戴微带天线的设计49-59
• 5.1 可穿戴天线介绍49-51
• 5.1.1 柔性材料的介绍50-51
• 5.2 柔性微带天线的设计51-54
• 5.2.1 微带天线的介绍51-52
• 5.2.2 柔性微带天线设计及优化52-54
• 5.3 柔性微带天线的弯曲测试54-56
• 5.4 柔性天线的汗水测试56-57
• 5.5 本章小结57-59
• 第6章 总结与展望59-62
• 6.1 本论文的总结59-60
• 6.2 下一步工作计划于展望60-62
• 参考文献62-67
• 致谢67-68
• 攻读硕士期间发表的论文和参加的项目68-69
• 附录69-72

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本文编号：704538