基本信息
- 项目名称：
- 一款新型星载全向天线的研制
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 天线设计是一个非线性的、多约束的多目标优化问题，在该领域，利用智能算法代替传统方法进行自动天线设计已成为当前研究热点。本团队把基于正交试验设计方法的智能算法应用于天线性能的预测中，并通过大量的实验验证了该方法，实现了快速天线优化设计，制作了一款尺寸小、频带宽、射频干扰小、接收灵敏度高的新型星载全向天线。
- 详细介绍：
- 天线设计是一个非线性的、多约束的多目标优化问题，在该领域，利用智能算法代替传统的手工方法进行自动天线设计已成为研究热点。课题组将基于正交试验设计方法的智能算法应用于预测天线的性能，通过大量的实验数据验证了该方法，一定程度上解决了由于电磁仿真计算严重耗时引起的“昂贵优化问题”（例如， 演化算法设计NASA ST5收发天线，一般需要上万次甚至10万次、100万次电磁仿真，才能完成一次演化优化；这意味着在单机上需要1年甚至10年、100年时间进行一次天线优化设计。对于将并行正交试验方法引入天线优化设计领域，目前国内外几乎没有文献对其做一个完整的讨论），实现了快速天线优化设计，制作了一款尺寸小、频带宽、射频干扰小、接收灵敏度高的新型星载全向天线。 作品提出利用“正交试验方法”进行天线优化设计的思想一定程度上突破了演化算法进行天线设计的瓶颈，即严重耗时的“昂贵优化问题”，这在天线设计领域尚属首次。从试验本身和试验结果来看都能设计出传统手工天线难以做到的、满足技术指标要求的天线。与此同时，课题组开发的分布式并行正交天线优化设计软件平台充分利用计算机集群的并行计算能力，不仅带来了算法性能上的改进，同时进一步应对了天线优化严重耗时的挑战，使得天线设计周期更加缩短。 作品采用天线演化算法和并行正交方法设计，发明新型星载全向天线，与常见的星载天线比较，它具有设计周期短、研发成本低、尺寸小（高度2.30cm）、质量轻（75g）、制作简单等特点，几乎不需要过多的匹配网络就可以直接和同轴馈电线缆连接等优势。 这种大的带宽的微波天线由于其覆盖范围广、接地线符合宽束要求，可以直接应用于卫星通信、地球观测等领域，具有巨大的应用价值和广阔的应用前景。 作品技术特点与优势在于：(1)采用多目标演化天线设计技术克服手工天线设计周期长、经验要求高、测试流程复杂等不足，在充分保证天线性能的前提下大幅度降低研发周期和研发成本。(2)引入正交方法进行天线优化设计，突破了演化算法进行天线设计的瓶颈，即严重耗时的“昂贵优化问题”。(3)作品的设计技术与方法可移植性强，能应用于如微带天线、阵列天线等天线的研制，该设计方法可以适用于设计多种空间星载天线，例如移动通信卫星、天文探测卫星、地球观测卫星等。开展微型星载天线的研制，能大大推动我国在空间领域星载天线的研究和研制进度，使我国在航天领域更具优势。 作品的应用，可以显著的提高我航天系统中武器系统的可靠性，提高空间飞行器和武器系统在恶劣环境中的生存能力。 随着卫星特长寿命的需求，登月计划、深空探测计划、日地空间物理量精确探测和预报卫星（即天象卫星）的发展，以上成果都将转化为未来迫切需要的型号中的产品。同时还可用于军用卫星、武器系统以及民用和军事信息工程中，前景非常广阔。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的：天线设计是一个非线性的、多约束的多目标优化问题，在该领域，利用智能算法代替传统的手工方法进行自动天线设计已成为研究热点。课题组将基于正交设计方法的智能算法应用于预测天线的性能，通过大量的实验验证了该方法，一定程度上解决了由电磁仿真计算严重耗时引起的“昂贵优化问题”，实现了快速天线优化设计。思路：(1)建立新型天线数学物理模型，并利用天线演化设计系统求解该模型；(2)针对严重耗时的“昂贵优化问题”，实现了并行正交方法的算法设计；(3)在正交优化过程中利用电磁仿真软件HFSS评估天线性能；(4)根据仿真设计模型，制作一款尺寸小、频带宽、射频干扰小、接收灵敏度高的新型星载全向天线。关键技术与创新点：(1)采用多目标演化天线设计技术克服手工天线设计之不足，在充分保证天线性能的前提下大幅度降低研发周期和研发成本。(2)通过在多目标演化算法中加入密度控制和低维杂交算子，在增加得到潜在优良天线结构概率的同时加速算法收敛，加速天线演化设计。(3)通过将格林矩阵稀疏化，加速了矩量法天线性能仿真评估，提升了天线演化过程速度。(4)引入正交方法结合有限元法进行天线优化设计，较好的解决了天线优化设计所面临的 “昂贵优化问题”。主要技术指标：发射频率：8470 MHz;接收频率：7209.125 MHz;驻波比:发射频率：<1.2，接收频率：<1.5;增益模式:≥0dBic，40≤θ≤80，0≤φ≤360;输入阻抗:50Ω;直径:<15.24cm;高度:<15.24cm;质量:<165g。
科学性、先进性
- 作品创新性地利用“正交试验方法”进行天线优化设计，在一定程度上突破了天线优化设计所面临的瓶颈——昂贵优化问题。从设计方法和实验结果来看，利用该方法设计出的天线在技术指标方面要优于传统天线。同时，本团队开发的分布式并行正交天线优化设计软件平台能够充分利用计算机集群的并行计算能力，不仅改进了算法性能，还进一步缩短了天线优化设计周期。
获奖情况及鉴定结果
- 依托本作品取得了以下成果： 1. 2009年，在“第四届国际智能计算与应用会议”（IEEE Xplorer 收录，EI/ISTP 检索）发表论文一篇。 2. 2011年，在美国召开的“国际演化计算大会”（IEEE Xplorer 收录，EI/ISTP 检索）发表论文两篇。 3. 2011年，在“第二届群智能系统国际研讨会”（EI 检索）发表论文一篇。 4.已获“分布式正交天线设计软件”软件著作权（登记号：2011SR037020）； 5.已获国家发明专利受理通知（受理号：201110155177.5）； 6.获**省第八届“挑战杯”一等奖。
作品所处阶段
- （ B ）中试阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、产品 模型 磁盘 图片 录像 样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 课题组设计的天线为四臂天线，质量75g，直径4.40cm，高度2.30cm， 发射频率、接收频率分别为 8470MHZ 、7209.125MHZ，反射面边长为4λ，输入阻抗为50Ω。不需要过多的匹配网络，直接和同轴馈电线缆连接即可。 作品技术特点与优势在于：(1)采用多目标演化天线设计技术克服手工天线设计周期长、经验要求高、测试流程复杂等不足，在充分保证天线性能的前提下大幅度降低研发周期和研发成本。(2)引入正交方法进行天线优化设计，突破了演化算法进行天线设计的瓶颈，即严重耗时的“昂贵优化问题”。(3)作品的设计技术与方法可移植性强，能应用于如微带天线、阵列天线等天线的研制，该设计方法可以适用于设计多种空间星载天线，例如移动通信卫星、天文探测卫星、地球观测卫星等。开展微型星载天线的研制，能大大推动我国在空间领域星载天线的研究和研制进度，使我国在航天领域更具优势。 作品可以应用于军用卫星、武器系统以及民用和军事信息工程中，前景非常广阔。
同类课题研究水平概述
- 当前利用智能算法解决天线设计这一非线性的、多约束的多目标优化问题，进行天线设计已成为研究热点。如遗传算法,粒子群算法,差分方法以及神经网络等智能计算方法获得了广泛的应用, 并取得大量成果。 2004年四川大学采用遗传算法（GA）和NE C天线数值计算程序建立了一套天线自动设计软件平台，并采用并行计算技术进行实现。Kahnq等则利用遗传算法设计出了一款四臂天线，该款天线是实现S-band天线中遥测功能的重要部分；中国地质大学自2005年起先后将ODEA算法、LNDSEA算法、OCPSO算法、DDEA算法、DEA算法、自适应DE算法应用于天线设计中的约束优化问题，取得了较好的效果，并于2009年开发了卫星天线自动演化设计软件。 然而，天线优化设计还面临着“昂贵优化”的问题，该问题得不到很好的解决，将是智能算法解决天线设计这一复杂优化问题的瓶颈，需尽快解决。2010年NASA已开始征集演化天线技术，特别是演化天线并行优化软件，用以应对这一瓶颈。对于解决该问题，早在几年前就已经引起了一些学者的关注。 2004年Kelley等在其论文中提出利用发现的电磁计算中阻抗矩阵短路扫描元素，对天线的仿真结果增益实现最大化，从而改善了增益的性能；Tzoulis等则侧重于利用多层快速多极方法，将该方法应用于对远场、近场之间的混合，加快了近场电磁计算的速度；Stimer.M.认为电磁计算领域的瓶颈是大量的未知因素，增加了电磁仿真中虚拟设计的周期；Tehrani制作了一个基于三维低频可控源的电磁模型，加快了电磁仿真建模的速度；西安电子科技大学孙保华提出利用外插收敛加速法改进矩量法对线天线进行计算从而提高计算速度。可以看出，目前解决该问题的方法多集中在电磁计算方法本身，同时并行计算方法也得到了应用。
