改进引力搜索算法及其在功率放大器优化中的应用

作     者：卞成玺 

作者单位：江苏大学 

学位级别：硕士

导师姓名：夏景

授予年度：2022年

学科分类：12[管理学] 1201[管理学-管理科学与工程(可授管理学、工学学位)] 080902[工学-电路与系统] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 081104[工学-模式识别与智能系统] 08[工学] 0835[工学-软件工程] 0811[工学-控制科学与工程] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

主      题：优化设计 功率放大器 引力搜索算法 网格型离散结构 线型摆动结构 宽带 

摘      要：随着优化技术的发展,群智能优化算法由于其自身的并行性、鲁棒性等特点,被较多应用于实际工程领域,并成为了学科交叉研究领域的研究热点之一。作为通信系统中的关键器件,功率放大器的性能直接对系统的耗能、数据传输速率等指标产生重要影响。功率放大器需要不断拓展工作带宽来满足未来通信系统的要求,所以优化算法及其在功率放大器优化设计中的应用成为领域内的重要研究方向。由于功率放大器的复杂性,直接将智能优化算法应用于功率放大器及其匹配电路结构的优化较为困难,需要对算法及优化流程进行改进。因此,本文在改进引力搜索算法的基础上,引入非规则结构,采用改进算法与仿真软件联合优化框架对功率放大器的匹配网络进行优化设计。主要工作如下:1.为了满足功率放大器优化设计需求,对传统引力搜索算法进行了改进。首先,为了解决其易陷入局部最优的问题,改进了引力系数函数,将传统的指数函数改进为线性函数与指数函数相结合的分段函数,在保持算法局部搜索能力的基础上,增强了算法的全局搜索能力。其次,结合非支配排序和拥挤度思想,并引入全局非支配解集,使其适用于多目标问题的优化。然后,针对二进制离散引力搜索算法中因速度概率函数导致二进制参数提前收敛的问题,采用自适应变异策略,增加算法前期的优化多样性。测试函数的分析和对比结果验证了所改进算法在不同单目标、多目标和二进制测试函数下的收敛能力。在此基础上,对采用传统规则微带线结构的混合连续类功率放大器进行了优化设计,验证了优化算法在功率放大器优化中的可行性,为后续工作提供了研究基础。2.对于规则微带线结构限制功率放大器性能提升的问题,提出了一种采用改进的引力搜索算法结合网格型离散结构优化设计混合连续类功率放大器的方法。首先,采用网格型离散结构重新设计了匹配网络,并引入中值滤波算子,减少网格型离散结构中不连通部分,提高了算法的优化效率。其次,将改进的引力搜索算法与电磁仿真软件相结合,对网格型离散结构匹配网络进行优化设计。优化结果表明采用改进的引力搜索算法结合网格型离散结构能够提高优化效率及优化自由度,较好地满足宽带内不同频点的阻抗匹配要求。与现有规则结构设计相比,优化设计的网格型离散结构功率放大器相对带宽拓展了6%,满足0.5-4.2GHz宽带功率放大器的设计需求。3.为了进一步拓展功率放大器的工作带宽,提出了一种将线型摆动结构用于功率放大器匹配网络的优化设计。该结构可以克服网格型离散结构优化过程中不同代数个体结构的不连续问题,提高优化的性能。通过对比规则结构与线型摆动结构组成的不同类型匹配网络优化结果,验证该结构应用于功率放大器设计中的可行性。然后基于优化算法与仿真软件的联合优化流程将其应用于混合连续类放大器的优化设计中,结果表明该结构可以进一步增大宽带混合连续类功率放大器的工作带宽。优化后的功率放大器在宽带内的输出功率提高0.3-0.9d Bm,在保证饱和输出效率高于60%的情况下,工作带宽展宽了100MHz,达到了0.45-4.25GHz。与传统规则结构设计方法相比,相对工作带宽拓展了10%,验证了改进引力搜索算法结合线型摆动结构在放大器匹配网络优化设计中的有效性。