Dual-Band- und Breitbandoptimierung eines E-Shaped Patch (PSO)

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In diesem Beispiel wird ein Plugin aus der XTend Library von XFdtd verwendet, um zwei Particle Swarm Optimizations (PSO) an einem E-förmigen Patch durchzuführen. Die erste Untersuchung konzentriert sich auf eine Dualband-Konfiguration, die bei 1,8 und 2,4 GHz resoniert, während die zweite Suche die Leistung über den gesamten Frequenzbereich von 1,8 bis 2,4 GHz maximiert.

PSO ist eine globale Optimierungstechnik, die sich an dem Schwarmverhalten orientiert, das natürlich in Fischschwärmen, Vogelschwärmen und Insektenschwärmen vorkommt. Eine Anzahl von Partikeln, die einen Schwarm umfassen, sind im gesamten N-dimensionalen Lösungsraum verteilt. Ein evolutionärer Prozess folgt, bei dem jedes Partikel die Fitness seines aktuellen Standorts bewertet und sich an einen neuen Standort begibt, basierend auf dem besten Ergebnis, das von diesem bestimmten Partikel gesehen wird, und dem besten Ergebnis, das vom gesamten Schwarm gesehen wird. Über mehrere Generationen hinweg wird der Lösungsraum erforscht und eine optimale Lösung gefunden.

Die Fitnessfunktion für diese spezielle Optimierung wertet einfach die lineare Rückflussdämpfung der Antenne über das interessierende Frequenzband aus und stellt das Fitnessniveau auf den schlimmsten Rückflussdämpfungsfaktor ein. Im Falle der Dualbandoptimierung wird dieses Konzept so erweitert, dass der Fitnesswert der schlechteste Renditeverlust ist, der in beiden Bändern zu beobachten ist. Ein Vorteil dieses Ansatzes ist, dass die minimale In-Band-Performance bei jeder Generation bekannt ist. Der Benutzer kann den aktuellen Fitnesswert überwachen und bei Erreichen eines gewünschten Zielniveaus abbrechen. Sechs Hauptvariablen beeinflussen die Eigenschaften des E-förmigen Pflasters, wie in Abbildung 1 zu sehen ist. Diese Parameter dürfen nach Tabelle 1 variieren. Da einige der Variablen voneinander abhängig sind, verwendet das PSO-Plugin von XTend ein dynamisches Constraintsystem, um die Parametergrenzen während der Optimierung zu aktualisieren. Tabelle 2 zeigt die dynamischen Einschränkungen. Für beide Untersuchungen werden die gleichen Grenzen und Einschränkungen verwendet.

Abbildung 1

Schematische Darstellung des E-förmigen Flickens.

 
Tabelle 1

Tabelle 1

 
Tabelle 2

Tabelle 2

XStream, die von XFdtd mit CUDA beschleunigte Implementierung von FDTD, ist entscheidend für die rechtzeitige Ausführung des PSO. Jedes Partikel erzeugt für jede nachfolgende Erzeugung eine neue XF-Simulation. Diese Simulationen sind auf die verfügbaren CUDA-fähigen GPUs im System verteilt. Das hier verwendete System enthält sechs NVIDIA Tesla C2070. Der PSO weist jeder GPU eine Simulation zu, so dass sechs Simulationen gleichzeitig gelöst werden können. Um den Nutzen der GPUs zu maximieren, wird die Anzahl der Partikel als ganzzahliges Vielfaches der Anzahl der GPUs gewählt. Zwölf Partikel und 600 Generationen wurden für diese Optimierungen ausgewählt. Die Dualbandantenne konvergierte deutlich früher, so dass der Prozess nach 450 Generationen beendet war.

Die 12 Simulationen jeder Generation wurden in einer durchschnittlichen Gesamtzeit von 5 Minuten 45 Sekunden durchgeführt. Die Konvergenz des Schwarmes auf die optimale Lösung für jede Konfiguration ist in den Abbildungen 2 und 3 zu sehen. Die Untersuchungen könnten nach Erreichen eines Fitnessniveaus von 0,3 abgebrochen werden, wenn es unser Ziel ist, eine Antenne mit mindestens -10 dB Reflexionsdämpfung über unsere interessierenden Bänder zu schaffen. Das Dual-Band-Setup setzt diesen Meilenstein nach nur 10 Generationen fort, während es in der Breitbandversion rund 180 Generationen umfasst. Die Abbildungen 4 und 5 zeigen den Fortschritt der Optimierungen, indem sie die an mehreren Meilensteinpunkten erreichte Rückflussdämpfung einschließlich der endgültigen optimalen Lösungen untersuchen. Die mit der Dual-Band-Lösung verbundenen Parameter sind in Tabelle 3 und die Breitbandparameter in Tabelle 4 aufgeführt.

Abbildung 2

Konvergenz des Schwarmes auf die optimale Antwort für die Dual-Band-Konfiguration.

Abbildung 3

Konvergenz des Schwarmes auf die optimale Antwort für die Breitbandkonfiguration.

 

Abbildung 4

Momentaufnahmen der Rückflussdämpfung des Dual-Band-Patchs an mehreren Meilensteinpunkten.

Abbildung 5

Momentaufnahmen der Rückflussdämpfung des Breitbandpatches an mehreren Meilensteinpunkten.

 
Tabelle 3

Tabelle 3

Tabelle 4

Tabelle 4