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Anwendungsbeispiele

Dualband- und Breitband-Optimierung eines E-förmigen Patches (PSO)

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In diesem Beispiel wird ein Plugin aus der XTend-Bibliothek von XFdtd verwendet, um zwei Partikelschwarmoptimierungen (PSO) auf einem E-förmigen Patch durchzuführen. Die erste Untersuchung konzentriert sich auf eine Dual-Band-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 ein globales Optimierungsverfahren, das vom Schwarmverhalten inspiriert ist, das man in der Natur bei Fischschwärmen, Vogelschwärmen und Insektenschwärmen findet. Eine Anzahl von Partikeln, die einen Schwarm bilden, werden über den N-dimensionalen Lösungsraum verteilt. Es folgt ein evolutionärer Prozess, bei dem jedes Teilchen die Eignung seines aktuellen Standorts bewertet und sich auf der Grundlage des besten Ergebnisses des jeweiligen Teilchens und des besten Ergebnisses des gesamten Schwarms zu einem neuen Standort bewegt. Über eine Reihe von Generationen wird der Lösungsraum erforscht und eine optimale Lösung erreicht.

Die Fitnessfunktion für diese spezielle Optimierung bewertet einfach die lineare Rückflussdämpfung der Antenne über das betreffende Band und setzt den Fitnesswert auf die schlechteste Rückflussdämpfung. Bei der Dualband-Optimierung wird dieses Konzept dahingehend erweitert, dass der Fitnesswert die schlechteste Rückflussdämpfung in beiden Bändern ist. Ein Vorteil dieses Ansatzes ist, dass die minimale In-Band-Leistung bei jeder Generation bekannt ist. Der Benutzer kann den aktuellen Fitnesswert überwachen und das Verfahren beenden, wenn ein gewünschtes Zielniveau erreicht ist. Sechs Hauptvariablen beeinflussen die Eigenschaften des E-förmigen Pflasters, wie in Abbildung 1 zu sehen ist. Diese Parameter können gemäß Tabelle 1 variieren. Da einige der Variablen voneinander abhängig sind, verwendet das PSO-Plugin von XTend ein dynamisches Constraint-System, um die Parametergrenzen während der Optimierung zu aktualisieren. In Tabelle 2 sind die dynamischen Randbedingungen aufgeführt. Für beide Untersuchungen wird derselbe Satz von Grenzen und Beschränkungen verwendet.

Abbildung 1Schema des E-förmigen Pflasters.

Abbildung 1: Schematische Darstellung des E-förmigen Pflasters.

Tabelle 1

Tabelle 1

Tabelle 2

Tabelle 2

XStream, die CUDA-beschleunigte FDTD-Implementierung von XFdtd, ist von zentraler Bedeutung für die zeitgerechte Ausführung des PSO. Jedes Partikel erzeugt eine neue XF-Simulation für jede nachfolgende Generation. Diese Simulationen werden über die verfügbaren CUDA-fähigen GPUs im System verteilt. Das hier verwendete System enthält sechs NVIDIA Tesla C2070. Das PSO ordnet jedem Grafikprozessor eine Simulation zu, so dass sechs Simulationen gleichzeitig gelöst werden können. Um den Nutzen der GPUs zu maximieren, wird die Anzahl der Partikel als ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl der GPUs gewählt. Für diese Optimierungen wurden zwölf Partikel und 600 Generationen gewählt. Die Dualband-Antenne konvergierte deutlich früher, so dass der Prozess nach 450 Generationen beendet wurde.

Die 12 Simulationen jeder Generation wurden in einer durchschnittlichen Gesamtzeit von 5 Minuten und 45 Sekunden abgeschlossen. Die Konvergenz des Schwarmes auf die optimale Lösung für jede Konfiguration ist in den Abbildungen 2 und 3 zu sehen. Die Untersuchungen konnten nach Erreichen eines Fitnesslevels von 0,3 beendet werden, wenn unser Ziel darin besteht, eine Antenne mit mindestens -10 dB Rückflussdämpfung über das/die interessierende(n) Band(e) zu entwickeln. Bei der Dualband-Anordnung wird dieser Meilenstein nach nur 10 Generationen erreicht, während er bei der Breitbandversion bei etwa 180 Generationen liegt. Die Abbildungen 4 und 5 zeigen den Verlauf der Optimierungen, indem die Rückflussdämpfung an verschiedenen Meilensteinen einschließlich der endgültigen optimalen Lösungen untersucht wird. Die Parameter für die Dualbandlösung sind in Tabelle 3 aufgeführt, die Breitbandparameter in Tabelle 4.

Abbildung 2Konvergenz des Schwarms auf die optimale Antwort für die Dualband-Konfiguration.

Abbildung 2: Konvergenz des Schwarms auf die optimale Antwort für die Dualband-Konfiguration.

Abbildung 3Konvergenz des Schwarms auf die optimale Antwort für die Breitbandkonfiguration.

Abbildung 3: Konvergenz des Schwarms auf die optimale Antwort für die Breitbandkonfiguration.

 

Abbildung 4Schnappschüsse der Rückflussdämpfung des Dualband-Patches an verschiedenen Meilensteinpunkten.

Abbildung 4: Schnappschüsse der Rückflussdämpfung des Dualband-Patches an verschiedenen Meilensteinpunkten.

Abbildung 5Schnappschüsse der Rückflussdämpfung des Breitband-Patches an mehreren Meilensteinpunkten.

Abbildung 5: Schnappschüsse der Rückflussdämpfung des Breitband-Patches an verschiedenen Meilensteinpunkten.

Tabelle 3

Tabelle 3

Tabelle 4

Tabelle 4

 

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