代理优化Six-Element Yagi-Uda天线

这个示例使用:

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这个例子展示了如何使用代理优化天线的设计优化解算器。天线的辐射模式敏感依赖的参数定义天线的形状。通常情况下,辐射模式的特点有多个当地的最适条件。计算辐射模式,这个示例使用天线工具箱™函数。

Yagi-Uda天线是一种广泛使用的辐射结构的各种各样的商业和军事领域的应用。这个天线可以接收电视信号VHF-UHF[1]的频率范围。Yagi-Uda是定向行波光与单个驱动天线元素,通常是一个折叠偶极子或一个标准的偶极子,周围是一些被动的偶极子。被动的元素组成反射器和导演。这些名称识别位置相对于驱动的元素。反射偶极子背后的驱动因素,叶背面的方向的天线辐射。导演偶极子是前驱动的元素,在一个主要的方向梁形式。

设计参数

指定初始设计参数中心的甚高频乐队[2]。

频率= 165 e6;wirediameter = 19 e - 3;c = physconst (“光速”);λ= c /频率;

创建Yagi-Uda天线

的驱动元素Yagi-Uda折叠偶极子天线,一个标准的励磁机为这种类型的天线。调整折叠偶极子的长度和宽度参数。因为圆柱结构建模为等价的金属条,使用计算宽度cylinder2strip效用函数在天线工具箱™。的长度是 $λ / 2$ 在设计频率。

d = dipoleFolded;d。长度=λ/ 2;d。宽度= cylinder2strip (wirediameter / 2);d。间隔= d.Length / 60;

创建一个Yagi-Uda折叠偶极子天线与励磁机。反射器的长度和导演元素集 $λ / 2$ 。董事的数量设置为4。指定反射器和导演间距 $0 。 3 λ$ 和 $0 。 25 λ$ ,分别。这些设置提供一个初始猜测和作为优化过程的起点。显示最初的设计。

Numdirs = 4;refLength = 0.5;Numdirs dirLength = 0.5 * (1);refSpacing = 0.3;Numdirs dirSpacing = 0.25 * (1);initialdesign = [refLength dirLength refSpacing dirSpacing]。*λ;yagidesign = yagiUda;yagidesign。励磁机= d;yagidesign。NumDirectors = Numdirs; yagidesign.ReflectorLength = refLength*lambda; yagidesign.DirectorLength = dirLength.*lambda; yagidesign.ReflectorSpacing = refSpacing*lambda; yagidesign.DirectorSpacing = dirSpacing*lambda; show(yagidesign)

在设计频率情节辐射模式

执行优化过程之前,情节辐射模式的初始猜测3 d。

图一=图;模式(yagidesign、频率);

这个天线没有更高的优先方向的方向性,在天顶(海拔= 90度)。这个初始Yagi-Uda天线设计是一个设计不良的散热器。

设置优化

使用以下变量作为控制变量的优化:

反射器长度(1变量)
导演长度(4变量)
反射器间距(1变量)
导演间距(4变量)

一个向量参数parasiticVals使用这些设置:

反射器长度=parasiticVals (1)
导演长度=parasiticVals (2:5)
反射器间距=parasiticVals (6)
导演间距=parasiticVals (7:10)

而言,parasiticVals,设定一个目标函数,旨在90度方向的一个较大的值,在270度方向上一个较小的值,和一个较大的值之间的最大力量海拔波束宽度角范围。

类型yagi_objective_function2.m

函数objectivevalue = yagi_objective_function2 (y, parasiticVals,频率,elang) % yagi_objective_function2回报的目标6-element八木% objective_value = yagi_objective_function (y, parasiticVals,频率,elang) %分配适当的寄生维度,parasiticVals,八木天线y %,使用频率频率和角度对elang %计算目标函数值。% yagi_objective_function2函数是用于内部的例子。在后续版本%其行为可能会改变,所以它不应该%依靠编程的目的。% 2014 - 2018版权MathWorks公司bw1 = elang (1);bw2 = elang (2);y。ReflectorLength = parasiticVals (1);y。DirectorLength = parasiticVals (2: y.NumDirectors + 1);y。ReflectorSpacing = parasiticVals(y.NumDirectors+2); y.DirectorSpacing = parasiticVals(y.NumDirectors+3:end); output = calculate_objectives(y,freq,bw1,bw2); output = output.MaxDirectivity + output.FB; objectivevalue= -output; % To maximize end function output = calculate_objectives(y,freq,bw1,bw2) %calculate_objectives calculate the objective function % output = calculate_objectives(y,freq,bw1,bw2) Calculate the directivity % in az = 90 plane that covers the main beam, sidelobe and backlobe. % Calculate the maximum directivity, sidelobe level and backlobe and store % in fields of the output variable structure. [es,~,el] = pattern(y,freq,90,0:1:270); el1 = el < bw1; el2 = el > bw2; el3 = el>bw1&el

设置界限控制变量。

refLengthBounds = (0.4;0.6);dirLengthBounds = [0.35 0.35 0.35 0.35;%下界导演长度0.495 0.495 0.495 0.495);%上限主任长度refSpacingBounds = (0.05;%下界反射器间距0.30);%上限反射器间距dirSpacingBounds = [0.05 0.05 0.05 0.05;%下界导演间距0.23 0.23 0.23 0.23);%上限导演间距磅= [refLengthBounds (1) dirLengthBounds (: 1) refSpacingBounds (1) dirSpacingBounds(: 1)]。*λ;乌兰巴托= [refLengthBounds (2) dirLengthBounds (2:) refSpacingBounds (2) dirSpacingBounds(2:)]。*λ;

为优化设置起始点,并设置高程波束宽度角范围。

parasitic_values = [yagidesign.ReflectorLength,…yagidesign.DirectorLength,…yagidesign.ReflectorSpacing…yagidesign.DirectorSpacing];elang = (120);%海拔波束宽度角度az = 90

代理优化

寻找目标函数的全局最优,使用surrogateopt解算器。设置选项,允许500功能评估,包括初始点,使用并行计算,并使用“surrogateoptplot”图的功能。了解“surrogateoptplot”情节,看到解释surrogateoptplot。。

surrogateoptions = optimoptions (“surrogateopt”,“MaxFunctionEvaluations”,500,…“InitialPoints”parasitic_values,“UseParallel”,真的,“PlotFcn”,“surrogateoptplot”);rng (4)%的再现性optimdesign = surrogateopt (@ (x) yagi_objective_function2 (yagidesign x,频率,elang),…磅,乌兰巴托,surrogateoptions);

Surrogateopt停止,因为它超过了设定的评价函数极限“options.MaxFunctionEvaluations”。

surrogateopt发现一个点给一个目标函数值为-70。调查的影响参数对天线的辐射方向图进行了优化。

情节优化模式

在设计频率优化天线模式。

yagidesign。ReflectorLength = optimdesign (1);yagidesign。DirectorLength = optimdesign (2:5);yagidesign.ReflectorSpacing= optimdesign(6); yagidesign.DirectorSpacing = optimdesign(7:10); fig2 = figure; pattern(yagidesign,freq)

显然,现在的天线辐射显著更多的权力在天顶。

E-Plane和h面削减的模式

获得更好的洞察行为在两个正交的平面,情节规范化E-plane电场的大小和h面,也就是说,分别方位= 0和90度。

如果=图;模式(0:1:359 yagidesign频率0);

图三=图;模式(0:1:359 yagidesign,频率,90);

优化设计显示了显著改善辐射模式。实现更高的方向性在所需的方向天顶。叶小,导致这个天线从前端到后端的好比例。计算方向性在天顶,前后的比率,和波束宽度E-plane和h面。

D_max =模式(yagidesign频率0,90)

D_max = 10.2145

D_back =模式(yagidesign频率0,-90)

D_back = -48.1770

F_B_ratio = D_max - D_back

F_B_ratio = 58.3915

Eplane_beamwidth =波束宽度(1:1:360 yagidesign频率0)

Eplane_beamwidth = 54

Hplane_beamwidth =波束宽度(1:1:360 yagidesign,频率,90)

Hplane_beamwidth = 68

与厂家数据表

优化Yagi-Uda天线达到10.2 dBi的向前方向性,相当于8.1 dBd(相对于偶极子)。这个结果有点低于获得价值报告的数据表参考[2](8.5 dBd)。前后的比率是60分贝;这是优化器的一部分数量最大化。优化Yagi-Uda天线有E-plane波束宽度的54度,而数据表列出了E-plane波束宽度为56度。h平面优化Yagi-Uda天线的波束宽度是68度,而在数据表的值是63度。这个例子并没有解决阻抗匹配的乐队。

制表初始和优化设计

汇总的初始设计的猜测和最终的优化设计值。

yagiparam = {反射器长度的;“导演长度- 1”;“导演长度- 2”;“导演长度- 3”;“导演长度- 4”;“反射器间距”;“导演间距- 1”;“导演间距- 2”;“导演间距- 3”;“导演间距- 4”};initialdesign = initialdesign ';optimdesign = optimdesign ';T =表(initialdesign optimdesign,“RowNames”yagiparam)

T =10×2表initialdesign optimdesign _________________ ___________反射器长度0.90846 - 0.92703 - 1长度0.90846 - 0.71601导演长度0.90846 - 0.7426 - 2 - 3长度0.90846 - 0.68847导演长度0.90846 - 4 0.75779反射器间距0.54508 - 0.3117间距0.45423 - 0.28684 - 1导演间距- 2 0.45423 - 0.23237间距0.45423 - 0.21154 - 3导演间距0.45423 - 0.27903 - 4