CN103326685A - 采用量子算法的射频天线阻抗自适应匹配装置及方法 - Google Patents
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Abstract
采用量子算法的射频天线阻抗自适应匹配装置及方法,该装置包括传感器测量单元、控制单元和匹配单元,传感器测量单元与控制单元电连接,控制单元与匹配单元电连接,匹配单元与传感器测量单元电连接,匹配单元外接天线。本发明还包括采用量子算法的射频天线阻抗自适应匹配装置进行阻抗自适应匹配的方法。本发明利用量子技术,建立了射频天线阻抗匹配的数学模型,具有匹配速度快、精度高,效果好的优点,能适用于实时匹配。
Description
技术领域
本发明属于神经网络及电子电路工程领域,涉及一种采用量子算法的射频天线阻抗自适应匹配装置及方法。
背景技术
天线作为射频***重要的组成部分,直接影响着***的性能和稳定性。工作环境的变化,与人体之间相对位置的变化,都会影响到天线的输入阻抗,这种易变性会造成***功率模块的损坏,产生的反向功率甚至会烧穿绝缘层。
随着科技的进步,信息时代的来临,以移动通信设备为主导的消费电子产品日益普及,目前终端设备上应用了更多的频段,而由于终端设备空间有限,往往将多个频段集中到一个主天线上,同时牺牲了一些天线的性能,以覆盖更宽的频段。终端设备只能使用一个天线,所采用的匹配网络只能应用其中的某一个频段,从而造成天线在其他的频段下失配。这些方面的失配会加大功耗,降低天线灵敏度,影响设备待机时间和通讯时间。以如今的手持移动设备为例,天线的设计空间被压缩的极小,牺牲了天线的大量性能,天线功率传输效率能超过50%都算极佳的匹配效果,Nokia公司的手机天线平均功率传输效率仅20%左右,而滑盖手机甚至只有10%。
针对这种低效率功率传输问题,阻抗匹配技术被国内外学者提出,以实现功率的最大输出。要实现最大功率负载阻抗匹配,通常做法是在源和负载之间再***一个无源网络,这种无源网络通常被视为匹配网络。然而它们的功能并不仅仅是完成功率传输最大化,匹配网络还具有:减小噪声干扰,提高功率容量和提高频率响应的线性度等功能。
传统的阻抗匹配技术所采用的是***一个固定匹配网络,只针对某一点频率设计,一旦该匹配网络应用到射频或宽频领域时就会失效。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是,针对现有技术不足,提供一种采用量子技术的射频天线的自适应阻抗匹配装置及方法,适用于各射频天线,可确保在源级和负载之间形成最小反射,实现功率传输最大化。
为解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案是:一种采用量子算法的射频天线阻抗自适应匹配装置,包括传感器测量单元、控制单元和匹配单元,传感器测量单元与控制单元电连接,控制单元与匹配单元电连接,匹配单元与传感器测量单元电连接,匹配单元外接天线。
进一步,所述匹配单元的匹配网络优选为π型阻抗匹配网络,π型阻抗匹配网络包括电感L、电容C1、电容C2。
进一步,控制单元控制匹配网络的电感L、电容C1、电容C2的数值, 控制单元由电感L、电容C1、电容C2的各控制开关的控制时钟组成,属于现有技术。
一种采用量子算法的射频天线阻抗自适应匹配装置进行阻抗自适应匹配的方法,包括以下步骤:
1)通过传感器测量匹配网络的反射系数或者驻波比:
设传感器测量匹配网络的驻波比为VSWR,则
2)通过控制单元实时控制π型匹配网络的电感和电容的值:
由于电感和电容的值是变化的,因此,本发明采用二进制开关矩阵方法来控制电容和电感的值。
3)当天线的环境发生变化时,需要实时自适应调整匹配网络的元件值(即π型匹配网络的电感L和电容C1、C2的值),使天线快速而准确地实现匹配,本发明采用量子算法,实时得到匹配网络的最佳元件值,具体步骤为:
(3-1)编码:将π型阻抗匹配网络的电感L和电容C1、C2的值都用量子染色体进行编码,具体编码为:
(3-3)评估:为了实现最佳匹配,匹配网络的适应度函数为(为等效输入阻抗、为电源内阻、是反射系数),从而可以得到各量子染色体个体的适应值,当得到种群中第i代第j个个体的适应值( )之后,评估就是求得最佳适应值(表示最佳适应值,是对应的染色体基因);
(3-4)量子操作:
选择操作:当求得各量子染色体个体的适应值后,选择操作就是将各量子染色体中的优秀个体选出来,作为父本,参与下一代操作,所述选择操作的方法为:将各量子染色体按照适应值大小进行排列,选取其中最大适应值的量子染色体个体作为父本,其中80% 的个体按照适应值大小的原则来选择。同时,为了使样本保持多样化,还有20%的个体从本次种群中随机选取;
交叉操作:是指把两个父代个体的一部分染色体交叉,相互替换而生成新个体的操作,从而使搜索能力得到提高;
变异操作:变异算子的基本内容是对群体中的个体的某些基因座上的基因值作变动,这里的变异概率为Pm;
量子旋转操作:量子旋转是最重要的操作,设旋转矩阵为
,其中,和是旋转前和旋转后的量子位; 经过以上操作,得到匹配网络中的最佳元件L、C1、C2的值。当量子算法求得匹配网络的最佳元件值之后,由控制单元发出控制信号,通过二进制开关矩阵来控制π型匹配网络中的电感L和电容C1、C2的值,从而达到自适应匹配的目的。
本发明利用量子技术,建立了射频天线阻抗匹配的数学模型,具有匹配速度快、精度高,效果好的优点,能适用于实时匹配。
自适应阻抗匹配技术相比传统的阻抗匹配,对动态的负载可做到实时、快速、稳定的匹配,且可将该技术应用工程实践,其应用前景远大于传统阻抗匹配技术。
附图说明
图1为本发明阻抗匹配框图;
图2(a)为二进制电容开关矩阵;
图2(b)为二进制电感开关矩阵;
图4为QGA 算法得到的最佳和平均适应值。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
参照图1,一种采用量子算法的射频天线阻抗自适应匹配装置,包括传感器测量单元、控制单元和匹配单元,传感器测量单元与控制单元电连接,控制单元与匹配单元电连接,匹配单元与传感器测量单元电连接,匹配单元外接天线。
所述匹配单元的匹配网络为π型阻抗匹配网络。
控制单元控制匹配网络的电感L、电容C1、电容C2的数值, 控制单元由电感L、电容C1、电容C2的各控制开关的控制时钟组成,属于现有技术。
一种采用量子算法的射频天线阻抗自适应匹配装置进行阻抗自适应匹配的方法,包括以下步骤:
1)通过传感器测量网络的反射系数或者驻波比:
设匹配网络的电源端(即除控制单元、传感器、天线之外,与匹配网络相连的其它所有外部电路,如图1所示,匹配网络左侧的所有电路是匹配网络的电源端)的等效电源电压为Vin, 等效电源内阻为,则匹配网络的电源端的等效输入阻抗为,、分别表示输入电阻和输入电抗,
设传感器测量匹配网络的驻波比为VSWR,则
2)通过控制单元实时控制π型匹配网络的电感和电容的值:
由于电感和电容的值是变化的,因此,本发明采用二进制开关矩阵方法来控制电容和电感的值,如图2所示,图2中的开关是电子开关,由控制单元的时钟控制。
3)当天线的环境发生变化时,需要实时自适应调整匹配网络的元件值(即π型匹配网络的L、C1、C2值),使天线快速而准确地实现匹配,本发明采用量子算法,实时得到匹配网络的最佳元件值,具体步骤为:
(3-1)编码:将π型阻抗匹配网络的电感L和电容C1、C2的值都用量子染色体进行编码,具体编码为:
(3-3)评估:为了实现最佳匹配,匹配网络的适应度函数为(为等效输入阻抗、为等效电源内阻、是传感器测量的匹配网络的反射系数),从而可以得到各量子染色体个体的适应值,当得到种群中第i代第j个个体的适应值(其中, )之后,评估就是求得,(表示最佳适应值,是对应的染色体基因););
(3-4)量子操作:
选择操作:当求得各量子染色体个体的适应值后,选择操作就是将各量子染色体中的优秀个体选出来,作为父本,参与下一代操作,所述选择操作的方法为:将各量子染色体按照适应值大小进行排列,选取其中最大适应值的量子染色体个体作为父本,其中80% 的个体按照适应值大小的原则来选择。同时,为了使样本保持多样化,还有20%的个体从本次种群中随机选取;
交叉操作:是指把两个父代个体的一部分染色体交叉,相互替换而生成新个体的操作,从而使搜索能力得到提高;
变异操作:变异算子的基本内容是对群体中的个体的某些基因座上的基因值作变动,这里的变异概率为Pm;
量子旋转操作:量子旋转是最重要的操作,设旋转矩阵为
经过以上操作,我们可以得到匹配网络中的最佳元件L、C1、C2的值。当量子算法求得匹配网络的最佳元件值之后,由控制单元发出控制信号,通过二进制开关矩阵来控制π型阻抗匹配网络中的电感L和电容C1、C2的值,从而达到自适应匹配的目的。
本发明应用实例:
设信号频率为1.8 GHz 和2.4GHz,信号电平为1V,电源内阻为50Ω,负载阻抗随机选择20-j30Ω、50Ω、200Ω、50+j75Ω、50-j75Ω、25+j50Ω、25-j50Ω七个阻抗值来测试,负载包括了电阻性负载、电容性负载、电感性负载三种常见负载值。选定种群规模e为100;迭代次数为1000,匹配网络的元件维数为3。在训练过程中,QGA 匹配算法得到的最佳和平均适应值如图4所示。算法快速收敛于全局最小点。
训练好后,量子算法的自适应匹配结果如下表1所示。
表1 量子算法的自适应匹配结果
很明显,QGA算法得到的天线端的输入阻抗Z in 非常理想,趋近理论值Z in =50Ω,网络的反射系数均趋近于0,其VSWR接近于1,负载功率逼近0.005W,实现了功率传输的最大化。由此得出结论QGA算法能很好地完成阻抗的自适应匹配功能。
Claims (4)
1.采用量子算法的射频天线阻抗自适应匹配装置,其特征在于,包括传感器测量单元、控制单元和匹配单元,传感器测量单元与控制单元电连接,控制单元与匹配单元电连接,匹配单元与传感器测量单元电连接,匹配单元外接天线。
2.根据权利要求1所述的采用量子算法的射频天线阻抗自适应匹配装置,其特征在于,所述匹配单元的匹配网络为π型阻抗匹配网络,π型阻抗匹配网络包括电感L、电容C1、电容C2。
3.使用如权利要求1-2任一项所述采用量子算法的射频天线阻抗自适应匹配装置进行阻抗自适应匹配的方法,包括以下步骤:
1)通过传感器测量匹配网络的反射系数或者驻波比:
设传感器测量匹配网络的驻波比为VSWR,则
2)通过控制单元实时控制π型匹配网络的电感和电容的值:
由于电感和电容的值是变化的,因此,采用二进制开关矩阵方法来控制电容和电感的值;
3)当天线的环境发生变化时,需要实时自适应调整匹配网络的元件值,即π型匹配网络的电感L和电容C1、C2的值,使天线快速而准确地实现匹配。
4.根据权利要求3所述的采用量子算法的射频天线阻抗自适应匹配装置进行阻抗自适应匹配的方法,其特征在于,所述步骤3)中,实时自适应调整匹配网络的元件值时,采用量子算法,实时得到匹配网络的最佳元件值,具体步骤为:
(3-1)编码:将π型阻抗匹配网络的电感L和电容C1、C2的值都用量子染色体进行编码,具体编码为:
(3-3)评估:为了实现最佳匹配,匹配网络的适应度函数为,式中,为等效输入阻抗、为电源内阻、是反射系数,从而得到各量子染色体个体的适应值,当得到种群中第i代第j个个体的适应值之后, ,评估就是求得最佳适应值,式中,表示最佳适应值,是对应的染色体基因;
(3-4)量子操作:
选择操作:当求得各量子染色体个体的适应值后,选择操作就是将各量子染色体中的优秀个体选出来,作为父本,参与下一代操作,所述选择操作的方法为:将各量子染色体按照适应值大小进行排列,选取其中最大适应值的量子染色体个体作为父本,其中80% 的个体按照适应值大小的原则来选择;同时,为了使样本保持多样化,还有20%的个体从本次种群中随机选取;
交叉操作:是指把两个父代个体的一部分染色体交叉,相互替换而生成新个体的操作,从而使搜索能力得到提高;
变异操作:变异算子的基本内容是对群体中的个体的基因座上的基因值作变动,这里的变异概率为Pm;
量子旋转操作:量子旋转是最重要的操作,设旋转矩阵为
经过以上操作,得到匹配网络中的最佳元件L、C1、C2的值;当量子算法求得匹配网络的最佳元件值之后,由控制单元发出控制信号,通过二进制开关矩阵来控制π型匹配网络中的电感L和电容C1、C2的值,实现自适应匹配。
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