陳國虎 曹 凱 江 樺 張 剛

（解放軍信息工程大學信息系統(tǒng)工程學院，河南 鄭州450002）

引 言

目前天線已經(jīng)成為各種個人電子設備、微波和衛(wèi)星通信系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)、軍事監(jiān)視和偵察平臺領域的關鍵模塊.在這些系統(tǒng)中，特別是在認知無線電系統(tǒng)中，需要構建一種涵蓋各種頻段、多重帶寬環(huán)境的多功能平臺［1］.

可重構天線通過控制一組光電二極管（Positive-Intrinsic-Negative，PIN）或者微機電系統(tǒng)開關（Micro Electromechanical System，MEMS）或高頻繼電器的狀態(tài)，動態(tài)改變天線輻射體的物理結(jié)構，使天線具有不同工作頻段、不同波束、不同極化等多種功能，是一類新的自適應天線［2-6］.可重構天線的上述特性可以使其廣泛應用于認知無線電、多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Out-put，MIMO）、射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）、智能天線等系統(tǒng)中［7-11］.在文獻［7］中，設計了一種新的可重構天線，該天線由兩部分組成，超寬帶天線（3.1～11GHz）用于頻譜感知，頻率可重構的三角形貼片天線用于和其它設備通信，天線的可重構特性通過旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)；文獻［8］提出了圓極化天線軸比自適應重構的設計理念，通過微波開關技術分別修正兩個正交線極化幅度來實現(xiàn)軸比的調(diào)整，再配合方向圖的重構調(diào)整，在移動終端可以實現(xiàn)針對空域相關性的自適應調(diào)整，在不同環(huán)境中始終保持較低的空域相關性和較高的信道容量；文獻［9］研究了用于認知無線電的頻率可重構八木天線，工作頻率在478～741MHz，通過頻率可重構，可以實現(xiàn)選頻的功能和空間濾波的效果，有效抑制干擾；文獻［10］設計了一種新的小型頻率可重構天線，能夠工作在超寬帶模式和窄帶模式，天線尺寸50mm×55 mm.文獻［11］提出了一種能應用于無線通信系統(tǒng)的新型介質(zhì)支撐開關寄生陣列天線，基于八木天線原理，天線可以實現(xiàn)頻率及方向圖的復合可重構.綜上所述，目前，可重構天線的研究主要集中在頻率、方向圖、極化方式重構等方面，在天線仿真分析時，可重構天線采用的開關數(shù)較少，天線可能的配置數(shù)對設計者來說是已知的.當可重構天線采用的開關數(shù)增加時，天線可能的配置隨開關個數(shù)以2的冪次遞增，可重構天線存在大量的電磁結(jié)構狀態(tài)，采用全波仿真分析方法，將是一個很長的過程，效率較低.另外，可重構天線包含了天線本身、射頻開關、開關控制系統(tǒng)等方面的內(nèi)容，而絕大部分的研究僅限于開關和天線本身，很少有對可重構天線系統(tǒng)進行整體性研究的例子.

針對開關數(shù)較多的可重構天線仿真分析問題，論文提出一種基于全波／網(wǎng)絡混合的可重構天線仿真方法，該方法將可重構天線看作多載天線，采用全波仿真法分析無加載的天線陣列，采用網(wǎng)絡分析法并結(jié)合遺傳算法分析任意加載可重構天線的網(wǎng)絡特性和輻射方向圖，該方法大大降低了天線仿真計算量，提高了仿真效率；利用該方法，對一種矩形環(huán)形可重構天線的頻率和方向圖可重構能力進行了仿真分析.

1 可重構天線的仿真分析

1.1 全波／網(wǎng)絡混合分析法

哈林登在其經(jīng)典著作《計算電磁場的矩量法》［12］中引入多端口網(wǎng)絡理論，將所有加載和激勵源統(tǒng)一看作與天線連接的多端口網(wǎng)絡，而天線本身也被等效為另一多端口網(wǎng)絡.可重構天線的開關結(jié)構在天線分析時，可以用阻抗元件代之，整個天線可以看作多載天線系統(tǒng).

依據(jù)上述思想，提出一種有效的可重構天線仿真方法，該方法采用全波仿真法分析無加載的天線陣列，采用網(wǎng)絡分析法分析任意加載的可重構天線網(wǎng)絡特性和輻射方向圖.圖1表示可重構天線等效為多端口網(wǎng)絡，端口1表示饋電端口，其它端口接可重構單元（Reconfigurable Element，RE）.天線的完整特性可以通過運行N次全波仿真得到，第k次仿真時，第k個端口是激勵源，其它端口接適當?shù)呢撦d.通過記錄第k次仿真時的電壓矢量vk和電流矢量ik以及仿真得到的遠場電場Ek（θ，φ），任意加載的可重構天線的輸入阻抗和輻射方向圖都可以高效地計算得到.

圖1 可重構天線等效為多端口網(wǎng)絡

當1端口饋電，其它端口連接可重構單元時，用網(wǎng)絡分析法計算天線的輸入阻抗和輻射方向圖.如圖1所示，可以得到i＝Y(jié)v，也可以寫成

式中：i1和v1是標量電流和電壓；i2和v2是其它端口端接可重構單元時的電流和電壓向量；Y22是分塊矩陣.第k＋1端口端接導納yL，k，k＝1，…，N-1，可得i2＝-YLv2，YL是對角陣，YL，kk＝y(tǒng)L，k.由式（1）可得

并且

yin是其他端口端接可重構單元時的輸入導納，當饋電電壓是v1時，實際的輻射方向圖可以表示為

電壓vk可以用式（2）求出.

1.2 遺傳算法

雖然在可重構天線仿真分析時采用了混合仿真方法，提高了仿真效率，但當可重構單元數(shù)較大且每個可重構單元有多個狀態(tài)時，仿真分析的計算量還是很大的.可重構天線通過天線結(jié)構中開關的通斷實現(xiàn)多重功能的重構，每一個開關的通斷都表示一種可能的天線配置，每種開關的狀態(tài)只能是“閉合”或者“斷開”，它是一非數(shù)值型的量.為了尋找天線所需性能的最優(yōu)，需要一種非線性的全局尋優(yōu)算法.

在天線仿真分析時，采用遺傳算法（Genetic Algorithm，GA），將每一個開關用染色體的一個基因位來表示，當開關閉合時用1表示，開關斷開時用0表示.適應度函數(shù)是GA優(yōu)化過程中選擇算子等遺傳操作的依據(jù)，適應度函數(shù)的值用以判斷個體的優(yōu)良程度.

為了詳細描述天線匹配特性，將電壓駐波比的倒數(shù)取為適應度函數(shù)值，天線匹配越理想其適應度值越接近于1.所選擇的適應度函數(shù)如下

式中，RVSW是天線端口的電壓駐波比.

為了在目標方向上獲得良好的增益特性，并且考慮天線的匹配程度，可以設定目標方向增益G的適應度函數(shù)，增益G的適應度函數(shù)為

式中：G（θ0，φ0）是設定方向（θ0，φ0）上天線的增益；S11是天線饋電端口的散射參數(shù).

2 自適應可重構天線

自適應可重構天線［2］的系統(tǒng)框圖如圖2所示.其工作機制是：控制器發(fā)出控制信號改變可重構天線開關的狀態(tài)，天線物理結(jié)構發(fā)生改變，引起輻射特性的變化；對接收天線，接收到期望信號時通過接收機反饋至控制器，控制器根據(jù)信號特征，通過優(yōu)化算法得到最優(yōu)開關狀態(tài)組合，從而最終確定接收該信號的天線結(jié)構；而對于發(fā)射天線，發(fā)射機在發(fā)送前，根據(jù)發(fā)射要求通過優(yōu)化算法確定開關狀態(tài)的最優(yōu)組合.在發(fā)射或接收過程中，如果外界環(huán)境發(fā)生變化或者接收要求發(fā)生變化，這種閉環(huán)結(jié)構的天線系統(tǒng)能夠通過上述機制自動將天線調(diào)整到最佳狀態(tài)，天線具有較好的自適應能力.

圖2 自適應可重構天線系統(tǒng)框圖

針對可重構天線在認知無線電中的應用，本文設計了一種平面結(jié)構的可重構天線結(jié)構模板，如圖3（a）所示.天線結(jié)構由若干導線和開關組成矩形環(huán)結(jié)構，黑色小方塊表示開關，加載在三個導線段節(jié)點處.天線尺寸0.56m×0.41m，開關數(shù)28個，共含有的天線數(shù)已經(jīng)過億，為268 435 456種.設計出的可重構天線結(jié)構上具有周期性，圖3（b）示出了矩形環(huán)形可重構天線結(jié)構上的周期性，圖中導線段連接處的黑色小矩形為開關.天線結(jié)構采用非對稱結(jié)構，保證了天線重構資源的豐富性.從天線的結(jié)構可以看出，通過外部控制電路控制開關的通斷就可以得到不同工作頻率和輻射方向的天線輻射結(jié)構.

圖3 矩形環(huán)形可重構天線的結(jié)構

3 仿真結(jié)果分析

采用全波仿真分析和網(wǎng)絡分析相結(jié)合的混合方法，對圖3（a）中所示的矩形環(huán)形可重構天線進行仿真分析.開關采用理想開關模型，開關間隙0.005 m，當開關導通時，用一金屬線段直接連接代替，當開關斷開時，則去掉該金屬線段.全波仿真分析采用FEKO Suite5.5，天線仿真頻率范圍為100～1 000 MHz.遺傳算法種群規(guī)模40，遺傳代數(shù)100，交叉率0.8，變異率0.05，分別以天線的駐波比和增益為優(yōu)化目標，通過對大量天線的搜索，最終獲得的是天線所需性能參數(shù)的最優(yōu)曲線.圖4給出了利用遺傳算法進行搜索的性能曲線，算法在對各頻點所能獲得的最小駐波和400MHz情況下水平面和垂直面各方向上最大增益進行搜索時均表現(xiàn)出良好的搜索性能，頻率為400MHz時，水平面大部分方向上增益都達到4dBi以上.圖5給出了矩形環(huán)形可重構天線最優(yōu)駐波曲線.可以看出，矩形環(huán)形可重構天線在比較寬的頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的駐波特性.

表1列出了100、500、1 000MHz這3個頻點上優(yōu)化得到的天線的開關組合狀態(tài).為了驗證全波／網(wǎng)絡混合分析法的正確性，表1還給出了用商用電磁仿真軟件FEKO Suite5.5分析得到的天線駐波比，顯然，這兩種方法計算得到的駐波比結(jié)果比較接近.圖6是水平面120°方向上水平增益最優(yōu)的情況下通過遺傳算法的搜索所獲得的天線方向圖，并和商業(yè)電磁仿真軟件FEKO Suite5.5仿真的結(jié)果進了對比，結(jié)果基本一致，證明了論文所提方法的正確性.

表1 優(yōu)化結(jié)果對比

圖4 遺傳算法的搜索性能曲線

圖5 矩形環(huán)形可重構天線駐波最優(yōu)曲線

圖6 天線水平面方向圖對比（開關狀態(tài)：0101000011100100110000110001，頻率400MHz）

如果采用商業(yè)電磁仿真軟件結(jié)合遺傳算法進行仿真分析，在尋優(yōu)過程中，每個個體需要進行一次天線全波仿真，每條曲線的獲得均需要對多個頻點進行遺傳算法的搜索，而每一個點的搜索又涉及上千種天線的計算，本次計算大致情形是：遺傳算法種群規(guī)模為40，遺傳終止迭代次數(shù)固定為100；對于搜索出的最小駐波曲線，計算的頻點數(shù)為10，總共經(jīng)過計算的天線數(shù)為4萬種，為得到一種曲線所花費的時間是不可接受的.采用全波／網(wǎng)絡混合法，如果天線結(jié)構中含有N只開關，則只需要調(diào)用N次全波仿真，尋優(yōu)過程中只進行疊加運算，大大降低了天線仿真計算量，提高了仿真效率.實際中，一般射頻開關器件導通和截止狀態(tài)并不能簡單地按理想的短路和開路來處理.如果開關器件的等效參數(shù)已知，可以將其視為加載元件，仿真方法不變.

4 結(jié) 論

可重構天線的形狀各異，表現(xiàn)出不同的可重構形態(tài).它們有可重構的工作頻率、可重構的方向圖、可重構的極化方式和這幾種參數(shù)的不同組合的可重構.矩形環(huán)形可重構天線具有頻率可重構和方向可重構的功能，該特性可以使其應用于未來的認知無線電、智能天線等系統(tǒng)中.下一步的工作重點是研究不同拓撲結(jié)構可重構天線的可重構能力、小型化以及如何實現(xiàn)實時可重構.

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