（2）約束條件設(shè)定

為了提高進(jìn)化效率，盡快的得到所需的進(jìn)化結(jié)果，我們?cè)O(shè)定一些約束條件對(duì)進(jìn)化方向進(jìn)行引導(dǎo)限制。這樣的約束條件有些是必須滿足的，在選擇過(guò)程中，不滿足這些約束條件的染色體會(huì)被自動(dòng)剔除掉。根據(jù)集成線圈的一般特點(diǎn)，設(shè)定參數(shù)的取值范圍如下：0μm

同時(shí)，為獲得更大的搜索空間，當(dāng)染色體不滿足有些約束條件時(shí)，設(shè)定一定的懲罰措施來(lái)減弱這個(gè)染色體的競(jìng)爭(zhēng)性，但是并不剔除。在集成線圈天線的設(shè)計(jì)中，我們要設(shè)計(jì)出性能滿足系統(tǒng)要求的天線，所以設(shè)定約束條件為：VL ≥Vr，P ≥Pr，l ≤lmax。當(dāng)染色體不滿足這樣的 約束條件的時(shí)候，我們?cè)O(shè)定一個(gè)懲罰函數(shù)來(lái)減小這個(gè)染色體的競(jìng)爭(zhēng)能力，此時(shí)，這個(gè)染色體 的適應(yīng)度減弱為：f (n) Q(n) 10-5

2.3、遺傳算子

標(biāo)準(zhǔn)GA 的操作算子一般包括選擇、交叉和變異三種基本形式。選擇即從當(dāng)前群體中選擇適應(yīng)度高的個(gè)體以生成交配池的過(guò)程。本文使用適應(yīng)度比例選擇的方法，其中每個(gè)個(gè)體被選擇的期望值與其適應(yīng)度和群體平均適應(yīng)度的比例有關(guān)，采用輪盤賭方式實(shí)現(xiàn)。首先計(jì)算每個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度，然后計(jì)算出此適應(yīng)度在群體適應(yīng)度總和中所占的比例，表示該個(gè)體在選擇過(guò)程中被選中的概率。選擇過(guò)程保證優(yōu)良基因能夠遺傳給下一代個(gè)體。選擇完成后，染色體要進(jìn)入交叉運(yùn)算和變異運(yùn)算。本文選定交叉概率pc 為0.5，變異概率pm 為0.01，一代染色體中以這樣的概率選擇部分染色體進(jìn)行交叉和變異操作。

2.4、終止條件設(shè)計(jì)

染色體進(jìn)化到一定的代數(shù)必須進(jìn)行終止，然后最終得到的染色體就是最優(yōu)的結(jié)果。我們可以設(shè)定當(dāng)某些數(shù)值達(dá)到理想值時(shí)進(jìn)化終止，也可以設(shè)定一個(gè)終止代數(shù)T，進(jìn)化T 次之后自動(dòng)終止。本文是要得到最大的回路品質(zhì)因數(shù)，它并沒有一個(gè)要達(dá)到的目標(biāo)值，所以我們?cè)O(shè)定 一個(gè)終止代數(shù)作為它的終止條件。在設(shè)定不同的終止代數(shù)進(jìn)行仿真后發(fā)現(xiàn)，在大約400 后，Q 值不再升高，即是運(yùn)行400 代后已經(jīng)可以得到最優(yōu)的品質(zhì)因數(shù)。所以我們?cè)O(shè)定終止代數(shù)為400 代。

3、仿真設(shè)計(jì)及結(jié)果說(shuō)明

根據(jù)上節(jié)設(shè)計(jì)的遺傳算法進(jìn)程運(yùn)用MATLAB 對(duì)集成線圈天線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了取得對(duì)比效果，選用文獻(xiàn)中的實(shí)例進(jìn)行設(shè)計(jì)。文中天線工作頻率為23.45MHZ，磁感應(yīng)強(qiáng)度B 為8Gauss，芯片所需最小工作電壓Vr 為3V，最小功率Pr 為1.2mW，能提供的天線的最大 外邊長(zhǎng)lmax 為2mm。針對(duì)遺傳算法搜索范圍大，可變參量多的特點(diǎn)，我們首先將所有參數(shù)進(jìn) 行優(yōu)化，在更大范圍內(nèi)搜索最優(yōu)解。然后，將工藝參數(shù)固定，取得與實(shí)例的對(duì)比效果。更好 地說(shuō)明遺傳算法的優(yōu)勢(shì)。具體結(jié)果說(shuō)明如下。

3.1、對(duì)所有參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化

將{l，n，w，s，t，tox，tox/2}進(jìn)行編碼生成染色體，運(yùn)行遺傳算法后所得Q 隨進(jìn)化代數(shù)不斷增加，如圖三所示為回路品質(zhì)因數(shù)Q 隨進(jìn)化代數(shù)t 的變化圖。在進(jìn)化50 代后Q 值的變化已經(jīng)比較 小了，但是在250 代左右的時(shí)候Q 值又有個(gè)上升。當(dāng)?shù)竭_(dá)終止代數(shù)400 時(shí)得到的回路品質(zhì) 因數(shù)為6.0928，此時(shí)的最優(yōu)染色體為{1866，30，10，1，10，10，3.6}。運(yùn)用這些參數(shù)計(jì)算出負(fù) 載獲得電壓為3.4658V，負(fù)載功率為1.2mW，并且線圈外邊長(zhǎng)為1.8mm 是符合版圖要求的。

圖三、優(yōu)化全部參數(shù)時(shí)的進(jìn)化圖

由于本設(shè)計(jì)設(shè)置的參數(shù)范圍比較大，所以結(jié)果出來(lái)的Q 值可以達(dá)到很大。在實(shí)際情況中，可能由于制造工藝，成本的限制對(duì)于各幾何參數(shù)有進(jìn)一步的要求，我們可以通過(guò)對(duì)參數(shù)范圍進(jìn)行重新限定來(lái)方便的實(shí)現(xiàn)。另外，如果用戶對(duì)天線的其他性能，如電阻值，電感值，電容 值等有特殊的要求也可以添加相應(yīng)的約束條件來(lái)引導(dǎo)進(jìn)化的發(fā)展，設(shè)計(jì)出符合指標(biāo)的最優(yōu)天 線尺寸。

3.2、工藝條件固定后的優(yōu)化

為了與文獻(xiàn)實(shí)例進(jìn)行對(duì)比，我們?nèi)《üに嚄l件t=1 μm，tox=0.8 μm，tox/2=1.2 μm。將{l，n，w，s}進(jìn)行編碼生成染色體，然后運(yùn)行遺傳算法。其回路品質(zhì)因數(shù)隨進(jìn)化代數(shù)t 的變化如圖四所示。其變化趨勢(shì)與上例類似，在進(jìn)化400 代后終止，得到的回路品質(zhì)因數(shù)為0.3723，而文獻(xiàn)中設(shè)計(jì)的天線得到的回路品質(zhì)因數(shù)為0.2576。說(shuō)明運(yùn)用遺傳算法對(duì)線圈天線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)可以得到更好的優(yōu)化結(jié)果。

圖四、固定工藝條件時(shí)的進(jìn)化圖

此時(shí)最優(yōu)染色體為{1963 26 10 1 1 0.8 1.2}。運(yùn)用這些參數(shù)計(jì)算出負(fù)載獲得電壓為3.4397V，負(fù)載功率為1.2mW，并且線圈外邊長(zhǎng)為1.963mm 是符合版圖要求的。

4、結(jié)束語(yǔ)

使用遺傳算法進(jìn)行集成線圈天線的優(yōu)化，在不限定工藝條件的情況下，可以在更大范圍內(nèi)搜索得到非常高的回路品質(zhì)因數(shù)。而且在工藝條件指定的條件下，運(yùn)用遺傳對(duì)集成線圈天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)也可以更有效的優(yōu)化線圈天線的性能。另外，除了本文設(shè)置的參數(shù)范圍以外，也可以根據(jù)實(shí)際的要求任意參數(shù)的范圍，并且可以任意添加約束條件以適應(yīng)不同環(huán)境的需求。