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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 一款新型星載全向天線的研制
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡(jiǎn)介：
- 天線設(shè)計(jì)是一個(gè)非線性的、多約束的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，在該領(lǐng)域，利用智能算法代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法進(jìn)行自動(dòng)天線設(shè)計(jì)已成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。本團(tuán)隊(duì)把基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的智能算法應(yīng)用于天線性能的預(yù)測(cè)中，并通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法，實(shí)現(xiàn)了快速天線優(yōu)化設(shè)計(jì)，制作了一款尺寸小、頻帶寬、射頻干擾小、接收靈敏度高的新型星載全向天線。
- 詳細(xì)介紹：
- 天線設(shè)計(jì)是一個(gè)非線性的、多約束的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，在該領(lǐng)域，利用智能算法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工方法進(jìn)行自動(dòng)天線設(shè)計(jì)已成為研究熱點(diǎn)。課題組將基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的智能算法應(yīng)用于預(yù)測(cè)天線的性能，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法，一定程度上解決了由于電磁仿真計(jì)算嚴(yán)重耗時(shí)引起的“昂貴優(yōu)化問(wèn)題”（例如， 演化算法設(shè)計(jì)NASA ST5收發(fā)天線，一般需要上萬(wàn)次甚至10萬(wàn)次、100萬(wàn)次電磁仿真，才能完成一次演化優(yōu)化；這意味著在單機(jī)上需要1年甚至10年、100年時(shí)間進(jìn)行一次天線優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)于將并行正交試驗(yàn)方法引入天線優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域，目前國(guó)內(nèi)外幾乎沒(méi)有文獻(xiàn)對(duì)其做一個(gè)完整的討論），實(shí)現(xiàn)了快速天線優(yōu)化設(shè)計(jì)，制作了一款尺寸小、頻帶寬、射頻干擾小、接收靈敏度高的新型星載全向天線。 作品提出利用“正交試驗(yàn)方法”進(jìn)行天線優(yōu)化設(shè)計(jì)的思想一定程度上突破了演化算法進(jìn)行天線設(shè)計(jì)的瓶頸，即嚴(yán)重耗時(shí)的“昂貴優(yōu)化問(wèn)題”，這在天線設(shè)計(jì)領(lǐng)域尚屬首次。從試驗(yàn)本身和試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看都能設(shè)計(jì)出傳統(tǒng)手工天線難以做到的、滿足技術(shù)指標(biāo)要求的天線。與此同時(shí)，課題組開發(fā)的分布式并行正交天線優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)充分利用計(jì)算機(jī)集群的并行計(jì)算能力，不僅帶來(lái)了算法性能上的改進(jìn)，同時(shí)進(jìn)一步應(yīng)對(duì)了天線優(yōu)化嚴(yán)重耗時(shí)的挑戰(zhàn)，使得天線設(shè)計(jì)周期更加縮短。 作品采用天線演化算法和并行正交方法設(shè)計(jì)，發(fā)明新型星載全向天線，與常見的星載天線比較，它具有設(shè)計(jì)周期短、研發(fā)成本低、尺寸?。ǜ叨?.30cm）、質(zhì)量輕（75g）、制作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，幾乎不需要過(guò)多的匹配網(wǎng)絡(luò)就可以直接和同軸饋電線纜連接等優(yōu)勢(shì)。 這種大的帶寬的微波天線由于其覆蓋范圍廣、接地線符合寬束要求，可以直接應(yīng)用于衛(wèi)星通信、地球觀測(cè)等領(lǐng)域，具有巨大的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。 作品技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)在于：(1)采用多目標(biāo)演化天線設(shè)計(jì)技術(shù)克服手工天線設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、經(jīng)驗(yàn)要求高、測(cè)試流程復(fù)雜等不足，在充分保證天線性能的前提下大幅度降低研發(fā)周期和研發(fā)成本。(2)引入正交方法進(jìn)行天線優(yōu)化設(shè)計(jì)，突破了演化算法進(jìn)行天線設(shè)計(jì)的瓶頸，即嚴(yán)重耗時(shí)的“昂貴優(yōu)化問(wèn)題”。(3)作品的設(shè)計(jì)技術(shù)與方法可移植性強(qiáng)，能應(yīng)用于如微帶天線、陣列天線等天線的研制，該設(shè)計(jì)方法可以適用于設(shè)計(jì)多種空間星載天線，例如移動(dòng)通信衛(wèi)星、天文探測(cè)衛(wèi)星、地球觀測(cè)衛(wèi)星等。開展微型星載天線的研制，能大大推動(dòng)我國(guó)在空間領(lǐng)域星載天線的研究和研制進(jìn)度，使我國(guó)在航天領(lǐng)域更具優(yōu)勢(shì)。 作品的應(yīng)用，可以顯著的提高我航天系統(tǒng)中武器系統(tǒng)的可靠性，提高空間飛行器和武器系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中的生存能力。 隨著衛(wèi)星特長(zhǎng)壽命的需求，登月計(jì)劃、深空探測(cè)計(jì)劃、日地空間物理量精確探測(cè)和預(yù)報(bào)衛(wèi)星（即天象衛(wèi)星）的發(fā)展，以上成果都將轉(zhuǎn)化為未來(lái)迫切需要的型號(hào)中的產(chǎn)品。同時(shí)還可用于軍用衛(wèi)星、武器系統(tǒng)以及民用和軍事信息工程中，前景非常廣闊。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 目的：天線設(shè)計(jì)是一個(gè)非線性的、多約束的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，在該領(lǐng)域，利用智能算法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工方法進(jìn)行自動(dòng)天線設(shè)計(jì)已成為研究熱點(diǎn)。課題組將基于正交設(shè)計(jì)方法的智能算法應(yīng)用于預(yù)測(cè)天線的性能，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法，一定程度上解決了由電磁仿真計(jì)算嚴(yán)重耗時(shí)引起的“昂貴優(yōu)化問(wèn)題”，實(shí)現(xiàn)了快速天線優(yōu)化設(shè)計(jì)。思路：(1)建立新型天線數(shù)學(xué)物理模型，并利用天線演化設(shè)計(jì)系統(tǒng)求解該模型；(2)針對(duì)嚴(yán)重耗時(shí)的“昂貴優(yōu)化問(wèn)題”，實(shí)現(xiàn)了并行正交方法的算法設(shè)計(jì)；(3)在正交優(yōu)化過(guò)程中利用電磁仿真軟件HFSS評(píng)估天線性能；(4)根據(jù)仿真設(shè)計(jì)模型，制作一款尺寸小、頻帶寬、射頻干擾小、接收靈敏度高的新型星載全向天線。關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新點(diǎn)：(1)采用多目標(biāo)演化天線設(shè)計(jì)技術(shù)克服手工天線設(shè)計(jì)之不足，在充分保證天線性能的前提下大幅度降低研發(fā)周期和研發(fā)成本。(2)通過(guò)在多目標(biāo)演化算法中加入密度控制和低維雜交算子，在增加得到潛在優(yōu)良天線結(jié)構(gòu)概率的同時(shí)加速算法收斂，加速天線演化設(shè)計(jì)。(3)通過(guò)將格林矩陣稀疏化，加速了矩量法天線性能仿真評(píng)估，提升了天線演化過(guò)程速度。(4)引入正交方法結(jié)合有限元法進(jìn)行天線優(yōu)化設(shè)計(jì)，較好的解決了天線優(yōu)化設(shè)計(jì)所面臨的 “昂貴優(yōu)化問(wèn)題”。主要技術(shù)指標(biāo)：發(fā)射頻率：8470 MHz;接收頻率：7209.125 MHz;駐波比:發(fā)射頻率：<1.2，接收頻率：<1.5;增益模式:≥0dBic，40≤θ≤80，0≤φ≤360;輸入阻抗:50Ω;直徑:<15.24cm;高度:<15.24cm;質(zhì)量:<165g。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 作品創(chuàng)新性地利用“正交試驗(yàn)方法”進(jìn)行天線優(yōu)化設(shè)計(jì)，在一定程度上突破了天線優(yōu)化設(shè)計(jì)所面臨的瓶頸——昂貴優(yōu)化問(wèn)題。從設(shè)計(jì)方法和實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，利用該方法設(shè)計(jì)出的天線在技術(shù)指標(biāo)方面要優(yōu)于傳統(tǒng)天線。同時(shí)，本團(tuán)隊(duì)開發(fā)的分布式并行正交天線優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)能夠充分利用計(jì)算機(jī)集群的并行計(jì)算能力，不僅改進(jìn)了算法性能，還進(jìn)一步縮短了天線優(yōu)化設(shè)計(jì)周期。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 依托本作品取得了以下成果： 1. 2009年，在“第四屆國(guó)際智能計(jì)算與應(yīng)用會(huì)議”（IEEE Xplorer 收錄，EI/ISTP 檢索）發(fā)表論文一篇。 2. 2011年，在美國(guó)召開的“國(guó)際演化計(jì)算大會(huì)”（IEEE Xplorer 收錄，EI/ISTP 檢索）發(fā)表論文兩篇。 3. 2011年，在“第二屆群智能系統(tǒng)國(guó)際研討會(huì)”（EI 檢索）發(fā)表論文一篇。 4.已獲“分布式正交天線設(shè)計(jì)軟件”軟件著作權(quán)（登記號(hào)：2011SR037020）； 5.已獲國(guó)家發(fā)明專利受理通知（受理號(hào)：201110155177.5）； 6.獲**省第八屆“挑戰(zhàn)杯”一等獎(jiǎng)。
作品所處階段
- （ B ）中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無(wú)
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品 模型 磁盤 圖片 錄像 樣品
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 課題組設(shè)計(jì)的天線為四臂天線，質(zhì)量75g，直徑4.40cm，高度2.30cm， 發(fā)射頻率、接收頻率分別為 8470MHZ 、7209.125MHZ，反射面邊長(zhǎng)為4λ，輸入阻抗為50Ω。不需要過(guò)多的匹配網(wǎng)絡(luò)，直接和同軸饋電線纜連接即可。 作品技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)在于：(1)采用多目標(biāo)演化天線設(shè)計(jì)技術(shù)克服手工天線設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、經(jīng)驗(yàn)要求高、測(cè)試流程復(fù)雜等不足，在充分保證天線性能的前提下大幅度降低研發(fā)周期和研發(fā)成本。(2)引入正交方法進(jìn)行天線優(yōu)化設(shè)計(jì)，突破了演化算法進(jìn)行天線設(shè)計(jì)的瓶頸，即嚴(yán)重耗時(shí)的“昂貴優(yōu)化問(wèn)題”。(3)作品的設(shè)計(jì)技術(shù)與方法可移植性強(qiáng)，能應(yīng)用于如微帶天線、陣列天線等天線的研制，該設(shè)計(jì)方法可以適用于設(shè)計(jì)多種空間星載天線，例如移動(dòng)通信衛(wèi)星、天文探測(cè)衛(wèi)星、地球觀測(cè)衛(wèi)星等。開展微型星載天線的研制，能大大推動(dòng)我國(guó)在空間領(lǐng)域星載天線的研究和研制進(jìn)度，使我國(guó)在航天領(lǐng)域更具優(yōu)勢(shì)。 作品可以應(yīng)用于軍用衛(wèi)星、武器系統(tǒng)以及民用和軍事信息工程中，前景非常廣闊。
同類課題研究水平概述
- 當(dāng)前利用智能算法解決天線設(shè)計(jì)這一非線性的、多約束的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，進(jìn)行天線設(shè)計(jì)已成為研究熱點(diǎn)。如遺傳算法,粒子群算法,差分方法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能計(jì)算方法獲得了廣泛的應(yīng)用, 并取得大量成果。 2004年四川大學(xué)采用遺傳算法（GA）和NE C天線數(shù)值計(jì)算程序建立了一套天線自動(dòng)設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)，并采用并行計(jì)算技術(shù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。Kahnq等則利用遺傳算法設(shè)計(jì)出了一款四臂天線，該款天線是實(shí)現(xiàn)S-band天線中遙測(cè)功能的重要部分；中國(guó)地質(zhì)大學(xué)自2005年起先后將ODEA算法、LNDSEA算法、OCPSO算法、DDEA算法、DEA算法、自適應(yīng)DE算法應(yīng)用于天線設(shè)計(jì)中的約束優(yōu)化問(wèn)題，取得了較好的效果，并于2009年開發(fā)了衛(wèi)星天線自動(dòng)演化設(shè)計(jì)軟件。 然而，天線優(yōu)化設(shè)計(jì)還面臨著“昂貴優(yōu)化”的問(wèn)題，該問(wèn)題得不到很好的解決，將是智能算法解決天線設(shè)計(jì)這一復(fù)雜優(yōu)化問(wèn)題的瓶頸，需盡快解決。2010年NASA已開始征集演化天線技術(shù)，特別是演化天線并行優(yōu)化軟件，用以應(yīng)對(duì)這一瓶頸。對(duì)于解決該問(wèn)題，早在幾年前就已經(jīng)引起了一些學(xué)者的關(guān)注。 2004年Kelley等在其論文中提出利用發(fā)現(xiàn)的電磁計(jì)算中阻抗矩陣短路掃描元素，對(duì)天線的仿真結(jié)果增益實(shí)現(xiàn)最大化，從而改善了增益的性能；Tzoulis等則側(cè)重于利用多層快速多極方法，將該方法應(yīng)用于對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)、近場(chǎng)之間的混合，加快了近場(chǎng)電磁計(jì)算的速度；Stimer.M.認(rèn)為電磁計(jì)算領(lǐng)域的瓶頸是大量的未知因素，增加了電磁仿真中虛擬設(shè)計(jì)的周期；Tehrani制作了一個(gè)基于三維低頻可控源的電磁模型，加快了電磁仿真建模的速度；西安電子科技大學(xué)孫保華提出利用外插收斂加速法改進(jìn)矩量法對(duì)線天線進(jìn)行計(jì)算從而提高計(jì)算速度?？梢钥闯?，目前解決該問(wèn)題的方法多集中在電磁計(jì)算方法本身，同時(shí)并行計(jì)算方法也得到了應(yīng)用。
