一種基于遺傳算法的天線結(jié)構(gòu)設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及天線結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，具體涉及一種基于遺傳算法的天線結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)是從二十世紀(jì)九十 年代興起的一種基于射頻原理實現(xiàn)的非接觸式自動識別技術(shù)。與目前常用的其他自動識別 技術(shù)相比，RFID具有精度高，如條形碼、磁卡、接觸式1C卡等，其具有體積小、形狀多樣、抗污 染能力、耐久性好、穿透性好、可重復(fù)使用和安全性高等優(yōu)點。隨著科學(xué)的進步，RFID產(chǎn)品已 被廣泛應(yīng)用于社會、經(jīng)濟、國防等眾多領(lǐng)域，例如高速公路收費系統(tǒng)、物流與供應(yīng)鏈管理系 統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、防偽和安全控制系統(tǒng)、流水線生產(chǎn)自動化、畜牧管理等。RFID技術(shù)將成為未來 信息社會建設(shè)的一項重要技術(shù)。
[0003] 射頻識別系統(tǒng)(RFID)-般由閱讀器(P⑶)和應(yīng)答器(PICC)兩部分組成，如圖1所 示。其中，閱讀器一般作為計算機終端，用來實現(xiàn)對RFID的數(shù)據(jù)讀寫和儲存，包括控制單元、 射頻模塊和天線；而應(yīng)答器是射頻識別系統(tǒng)真正的數(shù)據(jù)載體，通常應(yīng)答器由耦合元件以及 微電子芯片組成。在閱讀器的響應(yīng)范圍之外，應(yīng)答器處于無源狀態(tài)，只有當(dāng)應(yīng)答器處于閱讀 器的響應(yīng)范圍之內(nèi)，才會通過耦合單元接受來自閱讀器的射頻電源，為其電子芯片的工作 提供能量。因此，實現(xiàn)耦合的天線，在RFID系統(tǒng)中具有關(guān)鍵作用，RFID天線的性能直接決定 著整個系統(tǒng)的性能，故天線的設(shè)計直接關(guān)系到系統(tǒng)的通信距離和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?br>[0004] 特別是針對13.56MHz頻段的標(biāo)簽天線，國外的天線生產(chǎn)商基本是采用經(jīng)驗設(shè)計方 法，即設(shè)計者往往都是根據(jù)經(jīng)驗設(shè)計出結(jié)構(gòu)尺寸。在設(shè)計完成之后，才能計算出天線的電感 參數(shù)，而這個設(shè)計方案對于某些參數(shù)，如感應(yīng)電壓、品質(zhì)因子、印刷耗材最省等方面未必是 最優(yōu)的，甚至不符合設(shè)計要求。因此為達到完全準(zhǔn)確的天線電感設(shè)計，天線的設(shè)計還需進行 多次重新設(shè)計才能完成，而由此方法設(shè)計完成的天線僅為一具體實例，且其結(jié)構(gòu)設(shè)計更是 一個將天線具體結(jié)構(gòu)尺寸、電阻、電感、電容、諧振效率等多個相關(guān)聯(lián)參數(shù)整合的復(fù)雜的計 算過程。
[0005] 或者采用序列二次規(guī)劃算法求解非線性優(yōu)化的方法，根據(jù)射頻識別系統(tǒng)中的相關(guān) 參數(shù)計算出最優(yōu)化的天線結(jié)構(gòu)參數(shù)，即構(gòu)建基于優(yōu)化變量的目標(biāo)函數(shù)和約束條件，采用序 列二次規(guī)劃算法進行求解，使目標(biāo)函數(shù)逐步收斂到最優(yōu)解處，并輸出天線結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化 結(jié)果。用這種方法解優(yōu)化方程效率高、編寫程序簡單，但是卻存在以下問題：
[0006] 1、計算時需要給出初值，故不同的初值可能得出不同的搜索結(jié)果，難以得出全局 最優(yōu)解；
[0007] 2、每一步計算均需要求解一至兩個二次規(guī)劃子問題，以得到迭代方向，其計算工 作量大，難以應(yīng)用于大規(guī)模問題；
[0008] 3、迭代過程中產(chǎn)生的二次規(guī)劃子問題可能是無解，并使運算過程中斷，盡管可用 其他措施重新定義迭代方向，但必然會增加算法的復(fù)雜性，增大計算的工作量。
[0009] 基于上述狀況，如何改變標(biāo)簽天線在設(shè)計與生產(chǎn)方面的劣勢、縮短天線的設(shè)計時 間、提高設(shè)計效率、降低天線的成本、提高天線的性能是非常重要的課題研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，針對現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提供一種基于遺傳算 法的天線結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，減少計算量，提高結(jié)果的計算精度和穩(wěn)定性;且適用于計算大型問 題，提尚計算效率。
[0011] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:提供一種基于遺傳算法的天線結(jié)構(gòu) 設(shè)計方法，包括步驟：
[0012] 設(shè)置一天線結(jié)構(gòu)優(yōu)化公式，并在所述天線結(jié)構(gòu)優(yōu)化公式的最優(yōu)解區(qū)域中，隨機產(chǎn) 生若干數(shù)值作為初始遺傳代的染色體；
[0013] 將前一個遺傳代的全部染色體作為當(dāng)前遺傳代的初始染色體，且分別建立所述初 始染色體對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)，并根據(jù)目標(biāo)函數(shù)的解值將所述初始染色體進行關(guān)聯(lián)性排序，形 成當(dāng)前遺傳代的第一種群；
[0014] 分別計算第一種群的每個染色體的選擇概率，且根據(jù)選擇概率隨機地選擇若干染 色體，并對選中的染色體進行復(fù)制，形成當(dāng)前遺傳代的第二種群；
[0015] 對所述第二種群的染色體進行交叉操作和變異操作，形成當(dāng)前遺傳代的第三種 群；
[0016] 預(yù)設(shè)一具有足夠多代的結(jié)束遺傳代，若當(dāng)前遺傳代為結(jié)束遺傳代，輸出第三種群 中關(guān)聯(lián)性最強的染色體及其目標(biāo)函數(shù);若當(dāng)前遺傳代不是結(jié)束遺傳代，將當(dāng)前遺傳代的第 二種群中全部染色體作為下一個遺傳代的初始染色體，重新進行染色體處理。
[0017]其中，較佳方案是:根據(jù)天線結(jié)構(gòu)參數(shù)建立天線結(jié)構(gòu)優(yōu)化公式，該天線結(jié)構(gòu)參數(shù)包 括芯片參數(shù)、天線限制參數(shù)和工藝參數(shù)。
[0018] 其中，較佳方案是:對隨機產(chǎn)生的染色體均進行可行性驗證。
[0019] 其中，較佳方案是:將每一遺傳代的第一種群中最靠前的染色體單獨保留。
[0020] 其中，較佳方案是:該目標(biāo)函數(shù)為天線線圈的品質(zhì)因子最大化。
[0021] 其中，較佳方案是:該目標(biāo)函數(shù)為天線線圈的感應(yīng)電壓最大化。
[0022] 其中，較佳方案是，計算選擇概率的方式是：
[0023] 計算評價函數(shù)，該評價函數(shù)的表達式為eval ( i ) = a( Ι-a )1，其中i = 0，1，
2,......，N，N為第一種群的染色體數(shù)，ae(〇，l);
[0024] 計算第一種群的每個染色體的選擇概率，該選擇概率的表達式為 其中&為第一種群的每個染色體的選擇概率，i = 〇，l，2,......，N，N為第一種群的染色體 數(shù)。
[0025] 其中，較佳方案是，根據(jù)選擇概率隨機地選擇若干染色體的方式是：
[0026] 在i = 1到i = N的重復(fù)過程中，分別從區(qū)域(0，Qi)中產(chǎn)生隨機參考值R，其中N為第 一種群的染色體數(shù)；
[0027] 對于每個隨機參考值R，若仏^<R < Qj，則選擇第一種群中第j個染色體。
[0028] 其中，較佳方案是，交叉操作的方式是：
[0029] 設(shè)置交叉概率參數(shù)P。，從區(qū)域[1，N]中產(chǎn)生隨機參考值R，其中N為第一種群的染色 體數(shù)；
[0030] 設(shè)置交叉值X和Y，若1? < Pc，則從區(qū)域[1，N ]中產(chǎn)生隨機參考值Ri和此，及從區(qū)間（0， 1)中產(chǎn)生一個隨機數(shù)C，使X_=CF^.__+:_(1-C)!^，F(xiàn)_=CF % +(1-C)FSi，并將χ、γ分別賦值給 和4，其中W"為第二種群的第i個染色體。
[0031] 其中，較佳方案是，變異操作的方式是：
[0032] 設(shè)置變異概率參數(shù)Pm，從區(qū)域[0，1]中產(chǎn)生隨機參考值R;
[0033] 隨機選擇第二種群的染色體Vi，gR<Pm，隨機產(chǎn)生一向量D和一個變異量M，使Vi" = Vi"+DM，其中Vi"為第二種群的第i個染色體，M>0。
[0034] 本發(fā)明的有益效果在于，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過設(shè)計一種基于遺傳算法的 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，在天線結(jié)構(gòu)優(yōu)化公式的最優(yōu)解區(qū)域中獲得初始遺傳代，不需要提供初 始值以及輔助信息，提高可行解的廣泛性，并且減少計算量，提高結(jié)果的計算精度和穩(wěn)定 性；同時，通過對染色體進行交叉操作和變異操作，在搜索過程中不容易陷入局部最優(yōu)，提 高全局最優(yōu)解的求解概率;并通過本天線結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，改變射頻標(biāo)簽天線在設(shè)計與生產(chǎn) 方面的劣勢，以及縮短天線的設(shè)計時間、提高設(shè)計效率、降低天線的成本、提高天線的性能， 使快速設(shè)計低成本和更容易設(shè)計出高性能的天線。
【附圖說明】
[0035]下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中：
[0036]圖1是技術(shù)射頻識別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037] 圖2是本發(fā)明天線結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法框圖；
[0038] 圖3是本發(fā)明計算選擇概率的方法框圖；
[0039] 圖4是本發(fā)明根據(jù)選擇概率隨機地選擇若干染色體的方法框圖；
[0040] 圖5是本發(fā)明交叉操作的方法框圖；
[0041 ]圖6是本發(fā)明變異操作的方法框圖；
[0042]圖7是本發(fā)明矩形線圈的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0043]圖8是本發(fā)明圓形線圈的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0044]現(xiàn)結(jié)合附圖，對本發(fā)明的較佳實施例作詳細(xì)說明。
[0045]射頻識別系統(tǒng)包括閱讀器和應(yīng)答器，其中應(yīng)答器包括天線線圈和與天線線圈連接 的無源數(shù)據(jù)存儲器，天線線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電壓用于給無源數(shù)據(jù)存儲器供電。為了顯著提高 電路的工作效率，天線線圈的電感通常和無源數(shù)據(jù)存儲器的電容組成并聯(lián)振蕩回路，其諧 振頻率應(yīng)于射頻識別系統(tǒng)的工作頻率相一致。故本射頻識別系統(tǒng)中的相關(guān)參數(shù)具體包括：
[0046] 1、芯片參數(shù)，其包括芯片型號、芯片工作電壓、芯片電容、芯片電阻和天線線圈的 電感L;
[0047] 2、天線限制參數(shù)，其包括天線線圈形狀的選擇和天線線圈尺寸的限制，參考圖2和 圖3,天線線圈形狀主要包括一些規(guī)則形狀的螺旋線圈，如矩形天線線圈和圓形線圈；天線 線圈尺寸的限制是指天線線圈最外圈的尺寸限制，優(yōu)選的，a < 7