[논문]유전 알고리즘을 이용한 패치 안테나 형상 설계

송성문; 김철웅; 임희승; 유정훈

doi:10.9797/tsiss.2014.10.2.045

유전 알고리즘을 이용한 패치 안테나 형상 설계
Patch Antenna Shape Design Using the Genetic Algorithm 원문보기

정보저장시스템학회논문집 = Transactions of the society of information storage systems, v.10 no.2, 2014년, pp.45 - 49

송성문 (Mando Corporation) , 김철웅 (Graduate School of Mechanical Engineering, Yonsei Univ.) , 임희승 (Graduate School of Mechanical Engineering, Yonsei Univ.) , 유정훈 (School of Mechanical Engineering, Yonsei University)

Abstract ▼ AI-Helper

This study deals with obtaining the optimal shape of a patch antenna via the topology optimization method in order to enhance its radiation efficiency. The genetic algorithm scheme is proposed for the optimization process to satisfy the design objective. As a result, the optimal patch shape through the proposed process shows highly improved radiation efficiency and reduced scattered effects. Commercial package COMSOL and Matlab programming are employed for the entire optimization and analysis processes.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

Neyestanak 등은 유전 알고리즘을 동축 급전선을 갖는 W-shape 패치안테나의 형상 최적설계에 적용했고 퍼지 추론 시스템(fuzzy inference system) 을 도입하여 설계 매개변수를 제어하는 연구를 수행하였다 [11]. 본 연구에서는 유전 알고리즘에 기반한 위상최적설계의 방법을 이용하여 방사효율(radiation efficiency)의 극대화를 위한 패치 안테나의 형상 설계를 수행하였다.
본 연구에서는 일반적인 사각형 패치 안테나의 낮은 방사효율을 향상시키기 위한 패치 형상의 설계를 수행하였다. 유전 알고리즘을 이용한 위상 최적화 방법을 초기 모델에 적용하여 최적의 형상을 도출하였고, 해석의 결과 약 300%의 방사효율의 증가를 확인하였다.

가설 설정

23을 갖는 기판 위에 위치하고 있고 입력 전력은 17mW 이다. 패치 안테나는 perfect electric condition으로 가정하였고 흡수 (absorbing)경계 조건이 모델의 경계에 적용되었다.

제안 방법

인구는 이러한 연산 과정들을 반복적으로 수행하게 되고 그에 따라 최적해가 결정된다. 이번 연구에서는 10개의 개체가 하나의 인구로 지정되었고 총 50번의 세대 생성 과정을 갖도록 유전알고리즘을 설정하였다.

대상 데이터

4(b)는 초기 유전 배열 분포가 패치 영역을 포함한 30x20mm 영역에 사상된 것을 보여주고 있다. 설계 영역은 15x10 요소들로 구성되어 있으며, 만약 요소가 1의 값을 갖는다면 그 부분은 금속(패치)으로 채워지고, 0의 값을 갖게 되면 기판의 재료로 채워지게 된다.

이론/모형

특정한 개인들은 다음 세대를 위해 선택 과정을 통해 부모(parents) 로서 선택된다. 선택적 방법에는 룰렛휠 선택 (roulette wheel selection, RWS)이 사용되었다. 룰렛휠 선택은 특정한 확률에 기반을 둔 높은 적합도 함수값을 갖는 개체를 선택한다.
유전 알고리즘에 기반한 최적화 방법은 민감도의 계산을 요구하지 않고 설계의 초기 형상에 영향을 받지 않으므로, 전역적 최적해를 찾을 수 있다. 최적화 방법은 Matlab 프로그래밍으로 구현하였다.

성능/효과

본 연구에서는 일반적인 사각형 패치 안테나의 낮은 방사효율을 향상시키기 위한 패치 형상의 설계를 수행하였다. 유전 알고리즘을 이용한 위상 최적화 방법을 초기 모델에 적용하여 최적의 형상을 도출하였고, 해석의 결과 약 300%의 방사효율의 증가를 확인하였다.
해석에 의한 반사 손실은 목표 주파수인 6.2GHz에서 –20.28dB을 갖고 있고, 약 99.06%의 방사효율을 보여주고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유전 알고리즘에서 개체와 인구의 의미는?	유전 알고리즘에서, 개체(individual)는 해 (solution) 후보 중의 하나를 의미하고 이 개체들이 인구(population)를 구성하는데, 이때 인구는 해의 후보군을 의미한다. 연산이 진행되는 동안, 초기 인구가 무작위로 생성이 된다.
	유전 알고리즘에 기반한 최적화 방법은 어떠한 프로그래밍으로 구현하였는가?	유전 알고리즘에 기반한 최적화 방법은 민감도의 계산을 요구하지 않고 설계의 초기 형상에 영향을 받지 않으므로, 전역적 최적해를 찾을 수 있다. 최적화 방법은 Matlab 프로그래밍으로 구현하였다.
	패치 안테나의 이점은?	기술의 발전에 따라 통신장비의 크기는 점점 작아지면서 보다 향상된 성능을 보이고 있으며, 그 주요 부품 중의 하나인 패치 안테나(patch antenna) 는 항공기, 우주선, 위성, 핸드폰 등에 널리 사용 되고 있다 [1]. 전통적인 사각 형상을 가진 패치 안테나는 다른 안테나들 보다 상대적으로 낮은 방사 효율과 좁은 대역폭을 지니나, 작은 크기와 편파(polarization), 임피던스, 제조상의 이점을 가지고 있어 [2] 지금까지의 많은 연구들이 대역폭 향상에 초점이 맞춰져 있었다. Chiu 등은 급전, 형상, 배열의 방식을 바꾸면서 좀 더 넓은 대역폭과 다중 대역폭을 갖는 패치안테나 설계안을 제시하였다 [3].

참고문헌 (16)

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