專利名稱：基于遺傳算法的雙頻段Wilkinson功率分配器設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及移動通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種功率分配器。
背景技術(shù)：
隨著WC畫A、 GPS、 WLAN等眾多通訊標(biāo)準(zhǔn)的廣泛應(yīng)用，所需占用的頻帶越 來越多，因此需要在這些系統(tǒng)的收發(fā)前端使用工作于兩個頻率的通信設(shè)備。近 年來，對于雙頻通信設(shè)備的研究越來越受到重視，文獻(xiàn)[l]提出了一種基于兩節(jié)
阻抗變換器的雙頻帶功率分配器，其主要工作在基頻/;和倍頻2《兩個頻率。
在此基礎(chǔ)上，Wu等人w更進(jìn)一步提出了工作于兩個任意頻率的功分器。其中， 文獻(xiàn)(l、 S. Srisathit， M. Chongcheawchamnan and A. Worapishet， Design and realization of a dual-band 3-dB power divider based on a two-section transmission-line topology[J]. Electronics Letters, 2003， 39(9) :723 - 724;2 、 Lei Wu，Zengguang Sun，Hayattin Yilmaz， A Dual-Frequncy Wilkinson Power Divider[J]. IEEE Trans. Microw. Theory Tech.， 2006， 54(1): 278-284)公開了一種功率分配器的設(shè)計方法，該方法主 要是對功分器在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)，再運用傳輸線理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)計算時，求 解超越方程，得到一個設(shè)計方程式來求出結(jié)構(gòu)參數(shù)，但這種方法對每段傳輸線 的特性阻抗和電長度有著嚴(yán)格的約束，因而不能保證功分器的多個結(jié)構(gòu)參數(shù)同 時達(dá)到最佳值。采用該方法所設(shè)計功分器的端口隔離度不夠高，理想情況只能 達(dá)到18dB。為了使功率分配器工作于任意的兩個頻率，并提高其端口隔離度， 通過對器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和采用優(yōu)化設(shè)計方法則能避免以上問題。傳統(tǒng)的雙頻 功率分配器設(shè)計方法主要是對功分器在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)，再運用傳輸線理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)計算時，需要求解超越方程，對每段傳輸線的特性阻抗和電長度有 著嚴(yán)格的約束，因而不能保證功分器的多個結(jié)構(gòu)參數(shù)同時達(dá)到最佳值。
在眾多優(yōu)化方法中，遺傳算法(Genetic Algorithm,簡稱GA)這種借鑒生 物界自然選擇和自然遺傳機制的隨機搜索算法，由于具有較好的全局搜索性能 以及魯棒性強的優(yōu)化技術(shù)，能很好的處理多參數(shù)、非線性、不可微甚至不連續(xù) 問題，并且遺傳算法不要求解析表達(dá)式，并不需要輔助信息或輔助知識，它只 需要影響搜索方向的目標(biāo)函數(shù)和相應(yīng)的適應(yīng)度，但卻存在的早熟和收斂問題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對工作于兩個任意頻率的雙頻等分Wilkinson功率分配器，傳統(tǒng) 數(shù)值計算方法在運用傳輸線理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)計算時，需要求解超越方程，對 每段傳輸線的特性阻抗和電長度有著嚴(yán)格的約束，因而不能保證功分器的多個 結(jié)構(gòu)參數(shù)同時達(dá)到最佳值。對工作于兩個任意頻率的雙頻等分威爾金森 Wilkinson功率分配器，提出了基于遺傳算法的優(yōu)化設(shè)計方法。為了解決遺傳 算法中存在的早熟和收斂問題，在標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法中加入了最優(yōu)保持操作、自適 應(yīng)概率的交叉和變異操作等。利用遺傳算法的全局搜索能力得到功率分配器最 佳的物理參數(shù)。
本發(fā)明運用遺傳算法優(yōu)化設(shè)計雙頻段Wilkinson功率分配器的具體步驟包
括
步驟l:根據(jù)Wilkinson功率分配器的結(jié)構(gòu)構(gòu)造其染色體，產(chǎn)生含有特征 阻抗《、《，兩段傳輸線的電長度^、 e2，隔離電阻《和疋的初始種群； 步驟2:采用偶-奇模分析技術(shù)把功率分配器電路化為奇模電路和偶模電路
來進(jìn)行分析，計算其奇模反射系數(shù)r。^和偶模反射系數(shù)r^;
步驟3:計算每個染色體所對應(yīng)的適應(yīng)度函數(shù)尸，選取所需頻率點的反射系數(shù)絕對值的平均值為適應(yīng)度函數(shù)F: F = t|reVg"(0| + |r—0|。根據(jù)初始種群，
對于雙頻功分器的設(shè)計，可以選取兩個所需頻率點，n3為所需匹配的2個頻 率點；
步驟4:采用最優(yōu)化保存策略，把種群中適應(yīng)度最高的個體不進(jìn)行配對交 叉而直接復(fù)制到下一代中。
步驟5:自適應(yīng)概率的交叉和變異操作，調(diào)用公式計算交叉概率,。和變異概 率A，
其中，/乙為每代種群中的最大適應(yīng)度值，i^為每代種群中的平均適應(yīng)度 值，產(chǎn)為要交叉的兩個個體中較大的適應(yīng)度值，/為變異個體的適應(yīng)度值。 ^e
間取值。隨著個體的進(jìn)化，過多的交叉、變異容易產(chǎn)生不可行個體，交 叉概率和變異概率應(yīng)該隨著進(jìn)化的進(jìn)行而下降；
步驟6:根據(jù)適應(yīng)度值判斷是否滿足收斂條件，即判斷適應(yīng)度值F是否收 斂，滿足則輸出最優(yōu)解；否則轉(zhuǎn)到步驟3，直到得到最優(yōu)個體目標(biāo)函數(shù)值達(dá)到 最優(yōu)值或當(dāng)前代數(shù)達(dá)到最大遺傳代數(shù)，輸出功分器的最優(yōu)電子參數(shù)。
本發(fā)明將遺傳算法應(yīng)用到雙頻段Wilkinson功率分配器的優(yōu)化設(shè)計中，與 傳統(tǒng)的設(shè)計方法相比，不受初始值的限制，不需要了解功率分配器的內(nèi)在性質(zhì)， 只需對功率分配器各段阻抗、電長度等進(jìn)行編碼，并針對指標(biāo)要求設(shè)定適應(yīng)度 和約束條件來控制搜索，而且可以處理任意形式的目標(biāo)函數(shù)和約束條件，無論 是線性的還是非線性的，離散的還是連續(xù)的，甚至混合的搜索空間，都能有效 地進(jìn)行全局搜索，獲得理想解，從而提高了設(shè)計效率。采用該方法設(shè)計的功率分配器不僅能在頻率力和2力處達(dá)到良好的效果，而且在任意兩個感興趣的頻
率/l和n^/l都適用，其中m>l，不再局限于簡單的整數(shù)，通過遺傳算法設(shè)計 功分器，避免了復(fù)雜的公式推導(dǎo)過程，以及對參數(shù)間關(guān)系的嚴(yán)格限制，可以靈 活地對相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而使功率分配器達(dá)到良好的性能指標(biāo)。
圖1本發(fā)明采用遺傳算法運算流程圖
圖2雙頻段Wilkinson功率分配器結(jié)構(gòu)示意圖
圖3奇模和偶模等效電路示意圖
(1)偶模等效電路 (2)奇模等效電路
具體實施例方式
如圖l所示為本發(fā)明采用遺傳算法設(shè)計功分器流程示意圖，包括，根據(jù) Wilkinson功率分配器電路結(jié)構(gòu)構(gòu)造其染色體并編碼，產(chǎn)生含有特征阻抗^、 Z2 ，兩段傳輸線的電長度A、 &，隔離電阻《和兆的初始種群；把功率分配 器電路化為奇模電路和偶模電路來進(jìn)行分析，計算其奇模反射系數(shù)r。w和偶模
反射系數(shù)r,;根據(jù)奇模反射系數(shù)r^和偶模反射系數(shù)r^計算每個染色體所對
應(yīng)的適應(yīng)度函數(shù),；選擇把種群中適應(yīng)度最高的個體不進(jìn)行配對交叉而直接復(fù)
制到下一代中，根據(jù)變異個體的適應(yīng)度值/與每代種群中的平均適應(yīng)度值/^
的大小，確定適應(yīng)度函數(shù)F的交叉概率和變異概率；判斷適應(yīng)度值,是否收斂，
如滿足收斂，輸出最優(yōu)解作為功分器的最優(yōu)電子參數(shù)，否則繼續(xù)計算適應(yīng)度函數(shù)。
如圖2所示為雙頻段Wilkinson功率分配器結(jié)構(gòu)示意圖，功分器由兩節(jié)阻 抗變換器組成，其特征阻抗為&和Z2 ，隔離電阻為^和A，用來隔離兩個 輸出端口。根據(jù)該功率分配器結(jié)構(gòu)構(gòu)造染色體，將特征阻抗&和Z2 、傳輸線的電長度A和A，隔離電阻A和及2進(jìn)行二進(jìn)制編碼，即將6個參數(shù)轉(zhuǎn)換成6
個二進(jìn)制編碼的符號串，然后將6個串結(jié)構(gòu)構(gòu)成一個初始種群。在遺傳算法中， 電長度0范圍為0。 90。。根據(jù)試驗，為滿足實際應(yīng)用需要，定義基本參數(shù)中 種群規(guī)模為100，最大遺傳代數(shù)為200，變量的二進(jìn)制位數(shù)為20，即為決策變 量的精度。
由于Wilkinson功分器是對稱結(jié)構(gòu)，采用偶-奇模分析技術(shù)把功率分配器電 路化為奇模電路和偶模電路來進(jìn)行分析，如圖3所示為奇模電路和偶模等效電
路示意圖
1) 根據(jù)偶-奇模分析技術(shù)，對于偶模激勵，在兩個端口②，③上加上等幅、 同相的電壓，此時由對稱性可知隔離電阻兩端電位相等，因此隔離電阻上沒有 電流流過，相當(dāng)于在輸入端口的兩個傳輸線之間短路，可以不考慮隔離電阻的 作用。于是就得到了由特征阻抗&和Z2、傳輸線的電長度^和&、源和負(fù)載 阻抗Zs和Zl、隔離電阻A和及2經(jīng)串并聯(lián)構(gòu)成如圖3(1)所示的偶模等效電路，
由此，獲得該處的輸出阻抗Za和Ze^、以及該處的偶模反射系數(shù)r,。
2) 對于奇模激勵，兩個等幅、反相的電壓從兩端口②，(D輸入，此時，隔 離電阻兩端電位不等，因此有電流流過，于是可以得到，由特征阻抗Z,和Z2、 傳輸線的電長度^和&、負(fù)載阻抗ZL、隔離電阻^和及2串并聯(lián)構(gòu)成如圖3(2)
所示的奇模等效電路。由此，獲得該處的輸出阻抗Z^、 Zbl、 Zd和Z。dd，以及
該處的奇模反射系數(shù)r。w。
以下具體描述求偶模反射系數(shù)r,的方法
利用傳輸線的二端口理論，根據(jù)傳輸線在頻率/l時的電長度A、 &、特征阻
抗Zi和Z2、源和負(fù)載阻抗Zs和ZL、以及任意點頻率/，兩端口②，③處的輸
出阻抗^和Zeven由下式確定，z。+/z2tan(A//y;)
z/g卿 一 乙2-
z2
偶模反射系數(shù)為r,=|^
Ze柳十Zl
求奇模反射系數(shù)r。w的方法為
根據(jù)傳輸線的二端口理論，從圖中可以得到
根據(jù)傳輸線在頻率力時的電長度A、 ％、特征阻抗&和Z2、、隔離電阻^
和i 2、以及任意點頻率/;兩端口②，③處的輸出阻抗為
力+ 0x)tan(傷///) 由于Zd與RW并聯(lián)，所以有
Zi = Z2zfci+./z2tan(&y7./;)
Cl—Z2 + j'ZwtaiW/yi) 因而奇模輸出阻抗為Z。必=x及2 /(及2 + 2&i)
所以,奇模反射系數(shù)為r。^=f^f
z。必+z厶
選取所需兩個頻率點的偶模反射系數(shù)和奇模反射系數(shù)絕對值的平均值為適
應(yīng)度函數(shù)F:
對于對稱的三端口網(wǎng)絡(luò)，調(diào)用下述公式可以得到下面的S參數(shù)輸入端口回
波損耗Su，輸出端口回波損耗S22和S33，輸出端口隔離度S23。
l&i卜lr,l; S22-S33-^(r畫+:u必)；S23-^(r聽—r。必)。若頻帶內(nèi)的r柳"和r。必已 求出，則可求出各個參量S，并且從它們間的關(guān)系可以看出r,和r^越小越好，
即當(dāng)r自和r^最佳響應(yīng)時Sn、 S22和S23也接近于最佳響應(yīng)，于是可以得到選取
9所需兩個頻率點的反射系數(shù)絕對值的平均值為適應(yīng)度函數(shù)F:
F = t|r— ，(其中n為所需頻率點，如n-2，所需匹配2個頻率點)
根據(jù)初始種群，計算含有6個變量的每個染色體所對應(yīng)的適應(yīng)度值F。 根據(jù)圖1所示算法流程圖和適應(yīng)度函數(shù)F設(shè)計雙頻功分器中的遺傳算法關(guān) 鍵步驟為-
1) 選擇操作方法為優(yōu)化所設(shè)計的雙頻功分器，可采用最優(yōu)化保存策略， 把群體中適應(yīng)度F最高的個體不進(jìn)行交叉操作和變異操作，而直接復(fù)制到下一 代中。采用此選擇方法的優(yōu)點是，進(jìn)化過程中某一代的最優(yōu)解可不被交叉和變 異操作所破壞。
2) 自適應(yīng)概率的交叉和變異操作方法交叉操作方法為在這一代群體中將 兩個個體的適應(yīng)度值,隨機搭配成對，以交叉概率交換它們之間的某個或某些 位，從而產(chǎn)生兩個新的個體。然后對產(chǎn)生的新一代群體進(jìn)行變異操作，變異操 作的方法為在這代群體中隨機選擇一個個體的適應(yīng)度值A(chǔ)并以變異概率改變 代表適應(yīng)度值,的串結(jié)構(gòu)中某個位或某些位進(jìn)行改變，從而產(chǎn)生新的個體。
確定適應(yīng)度F的交叉概率和變異概率。將變異個體的適應(yīng)度值/與每代種 群中的平均適應(yīng)度值/^進(jìn)行比較，當(dāng)/乂f寧f/^時，根據(jù)每代種群中的最 大適應(yīng)度值厶m、要交叉的兩個個體中較大的適應(yīng)度值//7平均適應(yīng)度值/^ 確定交叉概率A和變異概率/^，當(dāng)/y、f/胃時，交叉概率A和變異概率i^
為一恒定常數(shù)。
計算交叉概率A和變異概率/^、的公式如下<formula>formula see original document page 10</formula>尸j夂(/nax -/VC/max其中，A:.S
間取值。
3)判斷是否滿足收斂條件，即計算適應(yīng)度值F是否收斂達(dá)到極小值，滿
足則輸出最優(yōu)解，即功分器的結(jié)構(gòu)參數(shù)(特征阻抗A和Z2 、傳輸線的電長度^
和&，隔離電阻i^和i 2)。否則繼續(xù)計算每個染色體所對應(yīng)的適應(yīng)度函數(shù)F，
重復(fù)上述過程。直到得到最優(yōu)個體目標(biāo)函數(shù)值達(dá)到最優(yōu)值或當(dāng)前代數(shù)達(dá)到最大 遺傳代數(shù)，輸出功分器的最優(yōu)電子參數(shù)A、 Z2 、 A、 A、 i^和i 2。
本發(fā)明采用遺傳算法，加入了最優(yōu)保持操作、自適應(yīng)概率的交叉和變異操
作等，根據(jù)每個染色體所對應(yīng)的適應(yīng)度函數(shù),，判斷適應(yīng)度值F是否收斂，直
到最優(yōu)個體適應(yīng)度函數(shù)值,達(dá)到最優(yōu)值或達(dá)到最大遺傳代數(shù)，輸出最優(yōu)解，由 此確定功分器的最優(yōu)電子參數(shù)。
本發(fā)明不僅能在頻率/和2/處達(dá)到良好的效果，而且在任意兩個感興趣的 頻率/;和r^/;都適用，此處m〉1，不再局限于簡單的整數(shù)，如2或3等。該方
法只需要影響搜索方向的目標(biāo)函數(shù)和相應(yīng)的適應(yīng)度，大大簡化了運算量，能容 易得到功率分配器最佳的物理參數(shù)，可廣泛應(yīng)用于移動通信專用器件設(shè)計方面。
權(quán)利要求
1、基于遺傳算法的雙頻段Wilkinson功率分配器設(shè)計優(yōu)化方法，其特征在于，包括，步驟1根據(jù)Wilkinson功率分配器電路結(jié)構(gòu)構(gòu)造其染色體，產(chǎn)生含有特征阻抗Z1、Z2，兩段傳輸線的電長度θ1、θ2，隔離電阻R1、R2的初始種群；步驟2將功率分配器電路化為奇模電路和偶模電路，計算其偶模反射系數(shù)Γeven和奇模反射系數(shù)Γodd；步驟3選取所需頻率點的反射系數(shù)絕對值的平均值為每個染色體所對應(yīng)的適應(yīng)度函數(shù)F，即<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>F</mi><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi></munderover><mfrac> <mrow><mo>|</mo><msub> <mi>Γ</mi> <mi>even</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>|</mo><mo>+</mo><mo>|</mo><msub> <mi>Γ</mi> <mi>odd</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>|</mo> </mrow> <mi>n</mi></mfrac><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id="icf0001" file="A2009101037050002C1.tif" wi="46" he="11" top= "107" left = "70" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>其中，n為所需匹配的頻率點個數(shù)；步驟4比較變異個體的適應(yīng)度值f與每代種群中的平均適應(yīng)度值favg的大小，確定適應(yīng)度函數(shù)F的交叉概率和變異概率；步驟5判斷適應(yīng)度值F是否收斂，如滿足收斂，則輸出最優(yōu)解作為功分器的最優(yōu)電子參數(shù)，否則轉(zhuǎn)到步驟3。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率分配器設(shè)計優(yōu)化方法，其特征在于，采用 最優(yōu)化保存策略進(jìn)一步優(yōu)化雙頻功分器，把每代種群中適應(yīng)度最高的個體不進(jìn) 行配對交叉而直接復(fù)制到下一代中。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率分配器設(shè)計優(yōu)化方法，其特征在于，對于雙頻功分器，選取兩個所需頻率點，即n二2。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率分配器設(shè)計優(yōu)化方法，其特征在于，步驟4 具體包括，當(dāng)/乂f寧f/^時，根據(jù)每代種群中的最大適應(yīng)度值厶《、要交叉 的兩個個體中較大的適應(yīng)度值/界平均適應(yīng)度值/^確定交叉概率A和變異概率尸w，當(dāng)/V、f/,時，交叉概率A和變異概率i^為一恒定常數(shù)，即<formula>formula see original document page 3</formula>
5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率分配器設(shè)計優(yōu)化方法，其特征在于，步驟2具體包括，調(diào)用公式r， =和r。w =求偶模反射系數(shù)r,和奇模反射系數(shù)r。必，其中Zeven為偶模輸出阻抗，Z,為奇模輸出阻抗，ZL為負(fù)載阻抗。
全文摘要
本發(fā)明公開了一個基于遺傳算法的雙頻段Wilkinson功率分配器優(yōu)化設(shè)計方法，涉及移動通信專用器件設(shè)計。針對工作于兩個任意頻率的雙頻等分Wilkinson功率分配器，傳統(tǒng)數(shù)值計算方法在運用傳輸線理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)計算時，需要求解超越方程，并且不能保證功分器的多個結(jié)構(gòu)參數(shù)同時達(dá)到最佳值。本發(fā)明采用遺傳算法，加入了最優(yōu)保持操作、自適應(yīng)概率的交叉和變異操作等，根據(jù)每個染色體所對應(yīng)的適應(yīng)度函數(shù)F，判斷適應(yīng)度值F是否收斂，輸出最優(yōu)解，由此確定功分器的最優(yōu)電子參數(shù)。該方法只需要影響搜索方向的目標(biāo)函數(shù)和相應(yīng)的適應(yīng)度，大大簡化了運算量，能容易得到功率分配器最佳的物理參數(shù)。
文檔編號G06N3/12GK101539961SQ20091010370
公開日2009年9月23日 申請日期2009年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月28日
發(fā)明者能 彭, 勇 曾, 凱 李, 李文宬, 巍 王, 元 羅, 蔡雪梅, 丹 陳 申請人:重慶郵電大學(xué)