基于PSO可穿戴天線的設(shè)計和優(yōu)化.pdf

1、腦中風(fēng),顧名思義就是腦部出血或者缺血性損傷為主要癥狀的臨床疾病，亦稱之為腦血管意外或者腦卒中，并且具有很高的致殘率和病死率，也是世界上十大致死疾病中死亡率最高的疾病之一。而腦中風(fēng)的致死率也會隨著年齡的增大呈現(xiàn)出上升的趨勢，由于在治療過程中一直缺乏行之有效的措施，目前普遍認(rèn)為最好的治療措施就是預(yù)防；預(yù)防采用的方法一般是采用核磁共振，CT等價格昂貴的醫(yī)療器械，這對于邊遠(yuǎn)山區(qū)的人們及普通醫(yī)療診所是難以承受的，因而在推廣方面具有極大的困難。近年

2、來，隨著微波成像技術(shù)成為了各大醫(yī)療器械公司及高校的重點(diǎn)研究方向，腦中風(fēng)檢測技術(shù)也得到了極大的推廣；而在這一檢測系統(tǒng)中，天線模塊中信號的發(fā)射與接收的結(jié)果會直接影響到成像的效果；要使成像效果更加清晰且更易攜帶，通常設(shè)計一款體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊的天線用于收發(fā)信號是微波探測信號采集和成像的前提。
　　然而，在天線設(shè)計優(yōu)化的過程中，復(fù)雜結(jié)構(gòu)超寬帶天線的多參數(shù)和非線性以及仿真工具運(yùn)行的長耗時都對性能優(yōu)化提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。而智能優(yōu)化算法作為一類

3、求解非線性問題的高效優(yōu)化算法，其原理簡單，全局尋優(yōu)的成功率高，魯棒性強(qiáng)，適用于各種復(fù)雜優(yōu)化問題，并在天線優(yōu)化領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用。借助于智能算法在天線優(yōu)化方面的成就，使得天線的主要性能參數(shù)能夠滿足于特定的技術(shù)要求等，天線的設(shè)計效率得到了極大提高。之后本文利用粒子群這一智能算法與遺傳算法分別對超寬帶對跖Vivaldi天線進(jìn)行優(yōu)化對比。考慮到進(jìn)一步的可穿戴性研究，文章還對天線結(jié)構(gòu)，導(dǎo)體材料特性，打印制作技術(shù)，絕緣體材料特性等方面對柔性材料進(jìn)行研

4、究與論述。通過研究后選擇合適的材料，利用改進(jìn)的PSO和HFSS對微帶天線進(jìn)行設(shè)計仿真和優(yōu)化；最后，通過修改天線的結(jié)構(gòu)，利用HFSS來模擬在實(shí)際運(yùn)用中天線受外部環(huán)境影響而產(chǎn)生變化后，天線的相關(guān)性能參數(shù)的變化。本文的主要研究成果可分為總結(jié)為以下幾個方面：
　　(1)引入了HFSS-API，利用這一工具通過MATLAB編程，可以建模復(fù)雜的天線結(jié)構(gòu)；并且可以利用除了HFSS電磁仿真軟件中集成的優(yōu)化方法之外的算法進(jìn)行對天線的優(yōu)化。本文成功通

5、過這一接口工具編程設(shè)計了一款超寬帶對跖Vivaldi天線。
　　(2)提出了將改進(jìn)的粒子群算法(PSO)應(yīng)用于超寬帶對跖Vivaldi天線的優(yōu)化，并且與HFSS優(yōu)化模塊中的遺傳算法進(jìn)行對比，結(jié)果表明：當(dāng)天線工作在1.8-5GHz，初始條件一致的情況下；在工作帶寬內(nèi)，優(yōu)化目標(biāo)為回波損耗大于10dB，在達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)時，粒子群優(yōu)化算法在時間的耗費(fèi)上比遺傳算法減少了20％。
　　(3)根據(jù)優(yōu)化結(jié)果加工出一款對跖Vivaldi天線，并

6、對天線的性能進(jìn)行了測試；當(dāng)天線工作在5GHz時，天線增益最大可達(dá)到為9.8dB，波瓣寬度達(dá)到了60°；此外，將天線作為腦中風(fēng)檢測系統(tǒng)的收發(fā)天線，檢測結(jié)果能夠清楚的顯示待檢測物體位置和大小，證實(shí)了改進(jìn)的粒子群算法在實(shí)踐中的可行性。
　　(4)利用粒子群算法和HFSS優(yōu)化設(shè)計出微帶天線，為使得天線更加具有可穿戴的特性，采用柔性材料作為天線的基本材料，并且通過改變天線的彎曲形狀和電介質(zhì)常數(shù)來模擬現(xiàn)實(shí)生活中天線可能遇到的外力因數(shù)引發(fā)的彎曲