Этот пример оптимизирует 6-элементную антенну Яги-Уды как для направленности, так и для соответствия 50 на входе, используя метод глобальной оптимизации, называемый суррогатной оптимизацией. Диаграммы направленности и входной импеданс антенн чувствительны к параметрам, определяющим их формы. Многомерная поверхность, по которой такие оптимизации должны выполняться, имеет несколько локальных оптимумов. Это делает задачу нахождения правильного набора параметров, удовлетворяющих целям оптимизации, особенно сложной и требует использования методов глобальной оптимизации. Эта антенна Яги-Уда предназначена для работы в составе ретрансляторной станции в радиоустановке HAM.
Выберите исходные параметры проектирования в центре диапазона УКВ.
fc = 144.5e6;
wirediameter = 12e-3;
c = physconst('lightspeed');
lambda = c/fc;
Z0 = 50;
BW = 0.015*fc;
fmin = fc - 2*(BW);
fmax = fc + 2*(BW);
Nf = 101;
freq = linspace(fmin,fmax,Nf);Ведомым элементом для этой антенны Яги-Уды является диполь. Это стандартный возбудитель для такой антенны. Отрегулируйте параметры длины и ширины диполя. Поскольку мы моделируем цилиндрические конструкции как эквивалентные металлические полосы, ширина рассчитывается с помощью функции полезности, доступной в Toolbox™ Антенна. Длина выбирается равной приблизительно на расчетной частоте.
d = dipole;
d.Length = 0.982.*(lambda/2);
d.Width = cylinder2strip(wirediameter/2);
d.Tilt = 90;
d.TiltAxis = 'Y';Создайте антенну Яги-Уды с возбудителем в качестве диполя. Установите число директоров равным четырем. Выбор длины элементов и интервала между элементами является начальным предположением и будет служить начальной точкой для процедуры оптимизации. Показать начальную конструкцию.
Numdirs = 4; refLength = 0.25; dirLength = [0.940 0.910 0.850 0.830]; refSpacing = 0.35; dirSpacing = [0.15 0.2 0.3 0.3 ]; initialdesign = [refLength refSpacing dirSpacing].*lambda; yagidesign = yagiUda; yagidesign.Exciter = d; yagidesign.NumDirectors = Numdirs; yagidesign.ReflectorLength = refLength; yagidesign.DirectorLength = dirLength; yagidesign.ReflectorSpacing = refSpacing*lambda; yagidesign.DirectorSpacing = dirSpacing*lambda; show(yagidesign)
Перед выполнением процесса оптимизации постройте график диаграммы направленности для начального предположения в 3D.
pattern(yagidesign,fc);
Эта начальная антенна Яги-Уды не имеет более высокой направленности в предпочтительном направлении, что означает в зените (отметка = 90 °) и поэтому является плохо спроектированным излучателем.
В качестве управляющих переменных для оптимизации используйте следующие переменные:
Длина отражателя (1 переменная)
Расстояние между отражателями (1 переменная)
Расстояния между директорами (4 переменные)
В терминах одного векторного параметра controlVals, комплект
Длина отражателя = controlVals(1)
Расстояние между отражателями = controlVals(2)
Расстояния между директорами = controlVals(3:6)
В терминах controlVals, задать целевую функцию, которая стремится иметь большое значение направленности в направлении 90 градусов, малое значение в направлении -90 градусов и большое значение максимальной мощности между границами угла ширины луча отметки. В дополнение к цели направленности в качестве ограничения также включено условие соответствия импедансу. Любые нарушения ограничений будут наказывать цель.
type yagi_objective_function_surrogate.mfunction objectivevalue = yagi_objective_function_surrogate(y,controlVals,fc,BW,ang,Z0,constraints)
% YAGI_OBJECTIVE_FUNCTION returns the objective for a 6 element Yagi
% OBJECTIVE_VALUE =
% YAGI_OBJECTIVE_FUNCTION(Y,CONTROLVALS,FREQ,ANG,Z0,constraints), assigns
% the appropriate parasitic dimensions, CONTROLVALS to the Yagi antenna Y,
% and uses the frequency FREQ, angle pair,ANG, reference impedance Z0 and
% the constraints to calculate the objective function value.
% The YAGI_OBJECTIVE_FUNCTION function is used for an internal example.
% Its behavior may change in subsequent releases, so it should not be
% relied upon for programming purposes.
% Copyright 2018 The MathWorks, Inc.
y.ReflectorLength = controlVals(1);
y.ReflectorSpacing = controlVals(2);
y.DirectorSpacing = controlVals(3:end);
% Unpack constraints
Gmin = constraints.Gmin;
Gdev = constraints.Gdeviation;
FBmin = constraints.FBmin;
S11min = constraints.S11min;
K = constraints.Penalty;
% Calculate antenna port and field parameters
output = analyzeAntenna(y,fc,BW,ang,Z0);
% Form objective function
output1 = output.MaxDirectivity+output.MismatchLoss; % Directivity/Gain at zenith
Gain1 = output.MaxDirectivity1+output.MismatchLoss1; % Directivity/Gain at zenith
Gain2 = output.MaxDirectivity2+output.MismatchLoss2; % Directivity/Gain at zenith
% Gain constraint, e.g. G > 10
c1 = 0;
if output1<Gmin
c1 = abs(Gmin-output1)+abs(Gain1-Gmin)+abs(Gain2-Gmin);
end
% Gain deviation constraint, abs(G-Gmin)<0.1;
c1_dev = 0;
c1_dev_temp = 0;
c1_dev_temp1 = 0;
c1_dev_temp2 = 0;
if abs(output1-Gmin)>Gdev
c1_dev_temp = -Gdev + abs(output1-Gmin);
end
if abs(Gain1-Gmin)>Gdev
c1_dev_temp1 = -Gdev + abs(Gain1-Gmin);
end
if abs(Gain2-Gmin)>Gdev
c1_dev_temp2 = -Gdev + abs(Gain2-Gmin);
end
c1_dev = (c1_dev_temp+c1_dev_temp1+c1_dev_temp2)/3;
% Front to Back Ratio constraint, e.g. F/B > 15
c2 = 0;
% if output.FB < FBmin
% c2 = FBmin-output.FB;
% end
c2 = (abs(FBmin-output.FB)+abs(FBmin-output.FB1)+abs(FBmin-output.FB2))/3;
% Reflection Coefficient, S11 < -10
c3 = 0;
if output.S11 > S11min
c3 = -S11min + output.S11;
end
% Form the objective + constraints
objectivevalue = -output1 + max(0,(c1+c1_dev+c2+c3))*K;
end
function output = analyzeAntenna(ant,fc,BW,ang,Z0)
%ANALYZEANTENNA calculate the objective function
% OUTPUT = ANALYZEANTENNA(Y,FREQ,BW,ANG,Z0) performs analysis on the
% antenna ANT at the frequency, FC, and calculates the directivity at the
% angles specified by ANG and the front-to-back ratio. The reflection
% coefficient relative to reference impedance Z0, and impedance are
% computed over the bandwidth BW around FC.
fmin = fc - (BW/2);
fmax = fc + (BW/2);
Nf = 5;
freq = unique([fc,linspace(fmin,fmax,Nf)]);
fcIdx = freq==fc;
fcIdx1 = freq==fmin;
fcIdx2 = freq==fmax;
s = sparameters(ant,freq,Z0);
Z = impedance(ant,fc);
Z1 = impedance(ant,fmin);
Z2 = impedance(ant,fmax);
az = ang(1,:);
el = ang(2,:);
Dmax = pattern(ant,fc,az(1),el(1));
Dmax1 = pattern(ant,fmin,az(1),el(1));
Dmax2 = pattern(ant,fmax,az(1),el(1));
Dback = pattern(ant,fc,az(2),el(2));
Dback1 = pattern(ant,fmin,az(2),el(2));
Dback2 = pattern(ant,fmax,az(2),el(2));
% Calculate F/B
F_by_B = Dmax-Dback;
F_by_B1 = (Dmax1-Dback1);
F_by_B2 = (Dmax2-Dback2);
% Compute S11 and mismatch loss
s11 = rfparam(s,1,1);
S11 = max(20*log10(abs(s11)));
T = mean(10*log10(1 - (abs(s11)).^2));
T1 = max(10*log10(1 - (abs(s11(fcIdx1))).^2));
T2 = max(10*log10(1 - (abs(s11(fcIdx2))).^2));
% Form the output structure
output.MaxDirectivity= Dmax;
output.BackLobeLevel = Dback;
output.MaxDirectivity1= Dmax1;
output.BackLobeLevel1 = Dback1;
output.MaxDirectivity2= Dmax2;
output.BackLobeLevel2 = Dback2;
output.FB = F_by_B;
output.FB1 = F_by_B1;
output.FB2 = F_by_B2;
output.S11 = S11;
output.MismatchLoss = T;
output.MismatchLoss1 = T1;
output.MismatchLoss2 = T2;
output.Z = Z;
output.Z1 = Z1;
output.Z2 = Z2;
end
Установите границы для управляющих переменных.
refLengthBounds = [0.1; % lower bound on reflector length 0.6]; % upper bound on reflector spacing dirLengthBounds = [0.3 0.3 0.3 0.3; % lower bound on director length 0.7 0.7 0.7 0.7]; % upper bound on director length refSpacingBounds = [0.25; % lower bound on reflector spacing 0.65]; % upper bound on reflector spacing dirSpacingBounds = [0.01 0.1 0.1 0.1; % lower bound on director spacing 0.2 0.25 0.3 0.3 0.2 0.25 0.35 0.35]; % upper bound on director spacing exciterLengthBounds = [0.45; % lower bound on exciter length 0.6]; % upper bound on exciter length exciterSpacingBounds = [.004; .008]; LB = [refLengthBounds(1) refSpacingBounds(1) dirSpacingBounds(1,:) ].*lambda; UB = [refLengthBounds(2) refSpacingBounds(2) dirSpacingBounds(2,:) ].*lambda; parameterBounds.LB = LB; parameterBounds.UB = UB; ang = [0 0;90 -90]; % azimuth,elevation angles for main lobe and back lobe [az;el]
Toolbox™ глобальной оптимизации предоставляет функцию оптимизации на основе суррогата, называемую surrogate. Мы используем эту функцию с опциями, указанными в optimoptions функция. При каждой итерации постройте график наилучшего значения целевой функции и ограничьте общее число итераций 300. Передайте целевую функцию суррогатной функции, используя анонимную функцию вместе с границами и структурой опций. Целевая функция, используемая в процессе оптимизации surrogate доступен в файле yagi_objective_function.
% Optimizer options optimizer = 'Surrogate'; if strcmpi(optimizer,'PatternSearch') optimizerparams = optimoptions(@patternsearch); optimizerparams.UseCompletePoll = true; optimizerparams.PlotFcns = @psplotbestf; optimizerparams.UseParallel = true; optimizerparams.Cache = 'on'; optimizerparams.MaxFunctionEvaluations = 1200; optimizerparams.FunctionTolerance = 1e-2; elseif strcmpi(optimizer,'Surrogate') optimizerparams = optimoptions(@surrogateopt); optimizerparams.UseParallel = true; optimizerparams.MaxFunctionEvaluations = 600; optimizerparams.MinSurrogatePoints = 12; optimizerparams.InitialPoints = initialdesign; else error('Optimizer not supported'); end % Antenna design parameters designparams.Antenna = yagidesign; designparams.Bounds = parameterBounds; % Analysis parameters analysisparams.CenterFrequency = fc; analysisparams.Bandwidth = BW; analysisparams.ReferenceImpedance = Z0; analysisparams.MainLobeDirection = ang(:,1); analysisparams.BackLobeDirection = ang(:,2); % Set constraints constraints.S11min = -15; constraints.Gmin = 10; constraints.Gdeviation = 0.1; constraints.FBmin = 20; constraints.Penalty = 75; poolobj = gcp; optimdesign = optimizeAntennaSurrogate(designparams,analysisparams,constraints,optimizerparams);
Surrogateopt stopped because it exceeded the function evaluation limit set by 'options.MaxFunctionEvaluations'.
Постройте график оптимизированной диаграммы направленности антенны на расчетной частоте.
yagidesign.ReflectorLength = optimdesign(1); yagidesign.ReflectorSpacing = optimdesign(2); yagidesign.DirectorSpacing = optimdesign(3:6); pattern(yagidesign,fc)
Чтобы лучше понять поведение в двух ортогональных плоскостях, постройте график нормированной величины электрического поля в E и H-плоскостях, т.е. азимут = 0 и 90 ° соответственно. Активизируйте метрики антенны на графиках полярной диаграммы направленности, чтобы установить направленность в зените, отношение фронт-назад и ширину луча в плоскостях E и H.
fU = fc+ BW/2; fL = fc-BW/2; figure; patternElevation(yagidesign,fc,0,'Elevation',0:1:359); pE = polarpattern('gco'); DE_fL = patternElevation(yagidesign,fL,0,'Elevation',0:1:359); DE_fU = patternElevation(yagidesign,fU,0,'Elevation',0:1:359); add(pE,[DE_fL, DE_fU]) pE.MagnitudeLim = [-20 15]; pE.TitleTop = 'E-plane Directivity (dBi)'; pE.LegendLabels = {[num2str(fc./1e6), ' MHz'],[num2str(fL./1e6), ' MHz'],[num2str(fU./1e6), ' MHz']};
figure; patternElevation(yagidesign,fc,90,'Elevation',0:1:359); pH = polarpattern('gco'); DH_fL = patternElevation(yagidesign,fL,90,'Elevation',0:1:359); DH_fU = pattern(yagidesign,fU,90,'Elevation',0:1:359); add(pH,[DH_fL, DH_fU]) pH.MagnitudeLim = [-20 15]; pH.TitleTop = 'H-plane Directivity (dBi)'; pH.LegendLabels = {[num2str(fc./1e6), ' MHz'],[num2str(fL./1e6), ' MHz'],[num2str(fU./1e6), ' MHz']};
Оптимизированная конструкция показывает значительное улучшение диаграммы направленности излучения. Более высокая направленность достигается в нужном направлении к зениту. Задний лепесток мал, что приводит к хорошему отношению фронта к спине для этой антенны.
Вычисляют входной коэффициент отражения для оптимизированной антенны Яги-Уды и строят график относительно опорного импеданса . Значение -10 дБ или ниже считается хорошим совпадением импеданса.
s = sparameters(yagidesign,freq,Z0);
figure; rfplot(s);
Сведите в таблицу начальные расчетные предположения и окончательные оптимизированные проектные значения.
yagiparam= {'Reflector Length';'Reflector Spacing';'Director Spacing - 1';
'Director Spacing - 2';'Director Spacing - 3';
'Director Spacing - 4'};
initialdesign = initialdesign';
optimdesign = optimdesign';
Tgeometry = table(initialdesign,optimdesign,'RowNames',yagiparam)Tgeometry=6×2 table
initialdesign optimdesign
_____________ ___________
Reflector Length 0.51867 1.1523
Reflector Spacing 0.72614 0.52421
Director Spacing - 1 0.3112 0.17164
Director Spacing - 2 0.41494 0.46889
Director Spacing - 3 0.62241 0.72614
Director Spacing - 4 0.62241 0.69233
Была изготовлена оптимизированная конструкция яги. Реальный яги нуждается в опорном элементе вдоль продольной оси для придания механической жесткости. Этот опорный элемент называется стрелой и обычно изготавливается из неметаллического материала. В этом случае для изготовления стрелы использовали трубки pVC. Обратите внимание, что эффект этой стрелы не был смоделирован в элементе Antenna Toolbox yagiUda. Другой метод анализа входного соответствия состоит в вычислении и построении графика VSWR (отношения стоячей волны напряжения). Рассчитайте и постройте график прогнозируемого VSWR из оптимизированной конструкции. Изготовленные антенны VSWR также измеряли с использованием измерителя SWR. Эти данные были сохранены в CSV-файле. Наложите результаты измерений на результаты анализа.
vswr_measured = csvread('SWR_Values_Sep_15.csv',1,0); figure vswr(yagidesign,freq,Z0) hold on plot(vswr_measured(:,1),vswr_measured(:,2),'k-.') legend('Analysis','Measurement') title('VSWR comparison - No coaxial cable in analysis') ylabel('Magnitude')
Коаксиальный кабель, подключенный к изготовленной антенне яги, представляет собой RG-58/U с характеристическим импедансом 50 . Создайте модель этого коаксиального кабеля с помощью RF Toolbox.
out_radius = 3.51e-3; in_radius = 0.91e-3; eps_r = 2.95; line_length = 5.05*lambda; coax_cable = rfckt.coaxial; coax_cable.OuterRadius = out_radius; coax_cable.InnerRadius = in_radius; coax_cable.EpsilonR = eps_r; coax_cable.LossTangent = 2e-4; coax_cable.LineLength = line_length;
Проанализируйте коаксиальный кабель в диапазоне частот, предназначенных для работы, и используйте импеданс яги в качестве нагрузки. Вычислите входной VSWR для коаксиального кабеля и антенны yagi.
Zyagi =impedance(yagidesign,freq); analyze(coax_cable,freq,Zyagi); figure hline = plot(coax_cable,'VSWRin','None'); hline.LineWidth = 2; hold on plot(vswr_measured(:,1),vswr_measured(:,2),'k-.') legend('Analysis','Measurement') title('VSWR comparison with coaxial cable model')
Кривая VSWR анализа для комбинации коаксиальной антенны и антенны яги выгодно сравнивается с измеренными данными.
Результаты оптимизированной конструкции выгодно сравнить с изготовленной антенной. Эта антенна будет использоваться как часть ретрансляционной станции, работающей на частоте 145 МГц.
figure yagidesign.Tilt = 90; yagidesign.TiltAxis = [0 1 0]; show(yagidesign)
%%
Оптимизация на основе прямого поиска шестиэлементной антенны Яги-Уды