基于最小有用配置百分比像素阵列天线方向图可重构方法

本发明涉及天线，尤其涉及一种基于最小有用配置百分比像素阵列天线方向图可重构方法、装置及电子设备。

背景技术：

1、在对多频段和多向天线需求激增的情况下，可重构天线已成为一种引人注目的解决方案。像素阵列天线代表了可重构天线的经典模型，实现了自适应重构，以满足各种应用环境下的性能标准。多功能性在灵活性和紧凑性方面提供了独特的优势。最近的进展使各种天线的可重构性成为可能。可重构阵列天线中使用的开关主要使用射频mems、场效应管和pin二极管。然而，增加开关的数量面临着巨大的挑战，例如更高的插入损耗和不足的隔离。这最终损害了天线在实际场景中的辐射性能。同时，交换机数量的增加导致天线性能的复制，使得在不同场景下寻找最佳解决方案变得复杂。因此，最重要的焦点仍然是在保持可重构性能的同时尽量减少交换机的数量。这是推动可重构天线发展的一项重要工作，具有重要的工程实际意义。

2、目前，像素阵列天线的设计方法侧重于实现灵活性和高性能。优化算法广泛应用于可重构天线的设计，它们在确定最佳参数配置以满足设计要求和性能指标方面起着至关重要的作用，提高了天线的整体性能和效率。然而，优化器的效率取决于两个核心组件。首先是算法的收敛速度、求解精度和全局搜索能力，其次是电磁仿真软件的求解能力。设计像素阵列天线涉及处理大量数据样本，导致花费大量时间解决电磁仿真软件的问题。这种障碍使得竞争性优化算法的任务变得更加复杂，消耗了大量的计算时间。这损害了效率和准确性，对仅通过单一优化算法获得令人满意的结果提出了挑战。因此，通过筛选出那些对方向图可重构性贡献不大的开关并将其删减，同时保留具有关键作用的开关，有助于简化像素阵列天线的设计过程，减少优化算法的计算负担。这一举措不仅提高了设计的效率和准确性，而且为进一步深入探索像素阵列天线的内部机理提供了基础，可以更好地实现对天线性能的控制和提升。

3、为提高像素阵列天线的方向图可重构性，可以通过确定在保证方向图可重构性最大时的非自由开关数量，逐步通过评估各开关的贡献度来确定非自由开关的位置和状态，减低天线结构的复杂度，减少不必要性能的重复出现，从而提升设计效率，一些学者将优化算法广泛地应用于像素阵列天线的设计，优化算法在确定最佳参数配置以满足设计要求和性能指标方面起着至关重要的作用，提高天线的整体性能和效率。如在rajagopalan h,kovitz j m,rahmat-samii y.mems reconfigurable optimized e-shaped patchantenna design for cognitive radio[j].ieee transactions on antennas andpropagation,2013,62(3):1056-1064工作中，粒子群优化算法作为一种受自然启发的优化技术，用以设计具有射频微机电系统开关，通过添加rf-mems开关来动态改变插槽尺寸，带宽实现几乎是原始e形贴片带宽的两倍。然而，较长的迭代寻优时间仍然是制约天线设计的一个关键问题。在wu c y,ma y p,xu j.an efficient approach for reducing thecomplexity of reconfigurable antennas[j].the applied computationalelectromagnetics society journal(aces),2015:237-244工作中，提出了一种表征可重构天线的新方法，以降低其复杂性，同时仍保持其可重构性，通过移除传统可重构天线中不太重要的开关来执行，天线的开关数从40个减少到8个后，最终结构仍然具有均匀分布的可重构反射系数覆盖。然而，通过天线的内部结构进行分析，涉及复杂的电磁结构分析，增加了设计过程的复杂性。因此，将天线开关的总数量和位置状态的定量作为仿真手段，以达到提升方向图可重构性的目标，利用开关约简策略作为机制探索工具，优先确定某些开关的状态，分析和评估各种拓扑下开关的贡献，最终确定保持方向图可重构性所需的状态，实现像素阵列天线方向图可重构性的提升。

4、在对多频段和多向天线需求激增的情况下，可重构天线已成为一种引人注目的解决方案。像素阵列天线代表了可重构天线的经典模型，实现了自适应重构，以满足各种应用环境下的性能标准。多功能性在灵活性和紧凑性方面提供了独特的优势。最近的进展使各种天线的可重构性成为可能。可重构阵列天线中使用的开关主要使用射频mems、场效应管和pin二极管。然而，增加开关的数量面临着巨大的挑战，例如更高的插入损耗和不足的隔离。这最终损害了天线在实际场景中的辐射性能。同时，交换机数量的增加导致天线性能的复制，使得在不同场景下寻找最佳解决方案变得复杂。本发明提出了一种开关约简策略，通过依次评估各个拓扑结构下的开关贡献度，将开关分为自由开关和非自由开关，以达到最大程度的方向图可重构性。

5、像素阵列天线的设计方法侧重于实现灵活性和高性能。分析像素阵列天线的内部结构涉及复杂的电路设计和优化挑战。它包括考虑辐射单元的位置和性能以及控制信号的分布和调整等因素。由于缺乏精确的可重构像素天线的结构模型，使得电磁分析只能局限于简单的结构，使结构复杂的天线分析变得更加复杂。控制网络和辐射单元之间的紧密耦合加剧了复杂性，导致信号干扰和相互影响等问题，特别是在高频和大功率应用中。此外，在处理不同的通信要求或操作环境的变化时，信号干扰和电磁兼容性问题增加了电磁分析的复杂性。这需要对天线的内部结构进行重新设计和优化，从而增加了系统的复杂性和成本。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于最小有用配置百分比的像素阵列天线的方向图可重构性提升方法，通过免疫算法确定多组最优开关状态，根据遗传算法中的交叉变异思想，将部分开关状态定义为大类和小类，利用不同开关状态下的仿真结果初步确认开关状态，并通过有用配置占总配置的百分比得出方向图可重构性最大时的开关数量，评估不同拓扑结构下各开关的贡献度，确定非自由开关的位置和状态，固定有利于实现方向图可重构性的非自由开关状态，循环评估自由开关，最终得到方向图可重构性最强的天线布局，降低了可重构阵列天线设计的复杂度，并有效提升了天线的方向图可重构性。

2、本发明是通过下述技术方案来实现的。

3、本发明一方面，提供了一种基于最小有用配置百分比像素阵列天线方向图可重构方法，包括以下步骤：

4、步骤s101，根据像素阵列天线的结构参数、排列方式以及工作频率范围，得到所述天线的总开关数量和总配置；

5、步骤s102，设置所述天线开关的回波损耗和最大辐射方向作为适应度函数，利用免疫算法确定所述天线多组最优开关状态；

6、步骤s103，利用遗传算法中交叉变异方法将所述天线多组最优开关状态按照有益基因划分为大类和小类；

7、步骤s104，将小类开关状态反转为大类开关状态，对反转后的天线结构进行hfss仿真，确定部分开关状态；

8、步骤s105，根据不同开关数量下的总配置数量，考虑剩余未确定开关状态在总配置数量下各种可能的开关组合，从总开关组合中随机选取随机样本，进行电磁模型仿真；

9、步骤s106，计算不同开关数量下的有用配置数量，将有用配置与随机样本进行比较，将具有最高百分比的天线配置确定为满足方向图可重构性设计要求的开关数量；

10、该满足方向图可重构性设计要求的开关数量为非自由状态开关，其余的为自由状态开关；

11、步骤s107，通过循环迭代的方式，计算剩余每个开关在不同状态下最小有用配置的差值；

12、选取多个最小有用配置差值中的最大值对应的开关，将最大值对应的开关在不同开关状态的较大值作为最优的开关配置方案；

13、判断未被选取的多个最小有用配置差值的自由状态开关是否为最大有用配置百分比的自由状态开关；

14、是则确定为最终天线结构中开关的布局，否则重复循环迭代，直至最小有用配置差值的自由状态开关为最大有用配置百分比的自由状态开关。

15、本发明示例性的实施例中，所述步骤s102中，设置所述天线开关的回波损耗和最大辐射方向作为适应度函数，利用免疫算法确定所述天线多组最优开关状态，包括：

16、随机产生不同状态的开关，将天线个体的适应度函数设为回波损耗适应度函数和最大辐射方向适应度函数，将两部分的适应度函数加权求和作为适应度函数值；

17、将目标频段均匀挑选nf个频点，取每个频点处适应度值和的平均值来表示第一个适应度函数指标；个体总的适应度函数为各适应度函数加权和；

18、利用免疫算法寻找出天线多组最优开关状态；

19、循环进行以上过程，得出多组最优开关状态。

20、本发明示例性的实施例中，所述步骤s103中，通过环境筛选选择适合度高的个体，通过自然进化获得有益基因将其定义为大类，另一状态定义为小类。

21、本发明示例性的实施例中，所述步骤s104中，将小类开关状态反转为大类开关状态，对反转后的天线结构进行hfss仿真，确定部分开关状态，包括：

22、将天线结构中唯一一个不同的小类开关状态进行反转，对其进行仿真求解并与原本的开关配置的仿真求解进行对比；

23、根据仿真求解后的状态进行判断，若得出的频率特性曲线和方向图曲线和原状态相同，用改变后的天线配置来代替原先配置，若开关在闭合和断开两种状态下的频率性能和辐射性能曲线趋势相差不一致，则改变后的天线配置不能替代原先的配置，该开关的状态不该被确定。

24、本发明示例性的实施例中，所述步骤s105中，从总开关组合中随机选取随机样本，进行电磁模型仿真，包括：

25、在开关数量总配置数量中，抽取总配置数量的1％作为随机样本，通过hfss-matlab联合仿真，模拟每个配置在期望扫描范围内m个离散指向上的性能表现；

26、通过循环迭代的方法，确定在天线结构下所有可能实现的开关数量，获得每种数量下的性能表现；

27、在指定扫描范围内实现m个离散指向，在每个指向角度处，设定回波损耗小于设定的阈值，并要求天线增益大于设定阈值，当天线在目标频段的nf个频点谐振频率下满足回波损耗和天线增益设定阈值时，将其定义为有用配置；

28、通过随机采样出总配置的1％作为随机样本，将在天线配置中最小有用配置百分比作为评估方向图的可重构性。

29、本发明示例性的实施例中，所述步骤s106中，根据不同开关数量下的最小有用配置百分比进行排序，将具有最高百分比的天线配置确定为满足方向图可重构性设计要求的开关数量，包括：

30、对n组在不同开关数量下的最小有用配置百分比数值进行排序，得到具有最佳方向图可重构性的开关数量，最大值所对应的开关数量g为满足方向图可重构性设计要求的开关数量。

31、本发明示例性的实施例中，所述步骤s107中，包括：

32、步骤71)，根据确定部分开关状态，对其余未确定开关状态进行仿真判定，依次分别将其固定在闭合和断开两种状态下，计算得到的最小有用配置百分比作为评估在扫描范围内方向图可重性的量化标准，根据闭合和断开两种状态差值的绝对值来评估开关的贡献度；

33、步骤72)，将各个开关的贡献度进行大小排序，最小有用配置百分比差值的绝对值的数值最大的开关是贡献度最大的开关，将贡献度最大的开关固定在一定状态下，即为非自由状态开关；

34、步骤73)，确定非自由状态开关后，通过对比非自由状态开关在闭合和断开两种状态下的最小有用配置百分比数值，将开关固定在处于较大数值的状态下；

35、步骤74)，循环评估不同拓扑结构下的开关贡献度，直到自由状态的开关减少至最大值所对应的开关数量g，即开关处于最佳的方向图可重构性状态。

36、本发明示例性的实施例中，所述步骤s74)，循环评估不同拓扑结构下的开关贡献度，包括：

37、按照一定的循环程序逐一通过计算得出其中最小有用配置百分比差值的绝对值数值最大的开关，并将其锁定在有利于方向图可重构性的状态下，基于该关键开关的状态，评估在其非自由状态下的天线结构中其他开关的贡献度，持续循环，直到自由开关的数量达到最大值所对应的开关数量g，得到最终的天线结构。

38、本发明的另一个方面，提供了一种基于最小有用配置百分比像素阵列天线方向图可重构装置，包括：

39、获取模块，用于根据像素阵列天线的结构参数、排列方式以及工作频率范围，获取天线的总开关数量和总配置；

40、确定模块，用于设置所述天线开关的回波损耗和最大辐射方向作为适应度函数，利用免疫算法确定所述天线多组最优开关状态；

41、分类模块，用于利用遗传算法中交叉变异方法将所述天线多组最优开关状态按照有益基因划分为大类和小类；

42、仿真模块，用于根据不同开关数量下的总配置数量，考虑剩余未确定开关状态在总配置数量下各种可能的开关组合，从总开关组合中随机选取随机样本，进行电磁模型仿真；

43、计算模块，用于计算不同开关数量下的有用配置数量，将有用配置与随机样本进行比较，将具有最高百分比的天线配置确定为满足方向图可重构性设计要求的开关数量；

44、循环迭代模块，用于循环迭代计算剩余每个开关在不同状态下最小有用配置的差值；选取最大有用配置百分比的自由状态开关确定为像素阵列天线方向图可重构开关布局。

45、本发明的另一个方面，提供了一种电子设备，包括处理器以及存储器；

46、所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令；

47、所述处理器用于调用存储于所述存储器中的程序，以执行所述的基于最小有用配置百分比像素阵列天线方向图可重构装置涉及方法的步骤。

48、本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：

49、1.本发明利用基于期望的扫描范围内的不同谐振频率对应的回波损耗和波束指向作为评估标准，通过确定实现最大方向图可重构性时所需的整体开关数量，并将其作为优化的终止条件，从而在设计过程中避免了不必要的计算和资源浪费。

50、2.本发明方法不以贴片单元的几何形状和材料为约束，通过确定在不同拓扑结构下各个开关对像素阵列天线方向图可重构性的贡献度，提升天线的方向图可重构性。在确定了非自由开关的数量下，系统详细探索开关的布局，循环评估了每个开关在拓扑结构下的贡献度。

51、3.通过以最小有用配置百分比的差值为数值评估标准，确定了非自由开关及其开关状态，以最大程度地配置像素阵列天线开关的布局和状态，以确保最大方向图可重构性。

52、4.基于开关约简方法确定最终的天线布局，确定方向图可重构性最大时的开关数量，分析和评估各种拓扑下开关的贡献，根据最小有用配置百分比的差值作为评估准则，将开关划分为自由状态开关和非自由状态开关，通过非自由开关闭合和断开时的最小有用配置百分比判断非自由开关的状态，最终确定保持最大方向图可重构性所需的状态。不仅提高了计算效率，而且增强了像素阵列天线的性能和适用性，为未来的像素阵列天线设计提供更深层次的理解和指导。

53、本发明与现有技术相比，具有以下特点：

54、1.开关约简策略作为一个开创性的概念，避免了复杂的电磁内部分析，通过最小有用配置百分比的数据分析方式探索了各开关对像素阵列天线方向图可重构性的影响，并评估了各开关在不同拓扑结构下的贡献，动态地评估交换机，使得不同拓扑结构下的开关可以周期地被确定，有效地降低了分析像素阵列天线的内部结构涉及的复杂电路设计和优化的挑战。

55、2.通过确定电性能指标为谐振频率对应的回波损耗和波束指向，设计像素阵列天线方向图可重构，本发明的技术路线对于频率可重构和复合可重构同样适用，因此，使用本发明的思路可以探索像素阵列天线潜在的可重构能力，最大程度地发挥天线的实用价值。