Эволюциялық алгоритммен жасалған антенна

Кіріспе

Эволюциялық компьютерлік алгоритммен жасалған антенна. Радиобайланыста эволюциялық антенна – Дарвиндік эволюцияны имитациялайтын эволюциялық алгоритмді қолданатын автоматты компьютерлік жобалау бағдарламасымен толығымен немесе маңызды бөлігімен жасалған антенна. Бұл әдіс 2000 жылдардың басынан бері қатаң, келіспейтін немесе ерекше дизайн талаптары бар, мысалы, қолданыстағы көптеген антенна түрлерінің ешқайсысы жеткіліксіз болатын ерекше сәулелену сипаттамалары бар миссиялық маңызды қолданыстар үшін антенналарды жобалауда қолданылып келеді.

Процесс

Компьютерлік бағдарлама қарапайым антенна пішіндерімен басталады, содан кейін элементтерді жартылай кездейсоқ түрде қосып немесе өзгертіп, бірқатар жаңа үміткер антенна пішіндерін жасайды. Бұл пішіндер жобалау талаптарына сәйкес келу деңгейі бойынша бағаланады және әрқайсысына сандық балл беріледі. Содан кейін, табиғи іріктеуге ұқсас қадаммен, ең төмен балл алған үміткер антенналардың бөлігі іріктеліп алынып, ең жоғары балл алған жобалардың кішірек тобы қалдырылады. Осы антенналарды пайдалана отырып, компьютер процедураны қайталайды, жоғары балл алған жобаларды іріктеу үшін (мутация, кроссовер және іріктеу сияқты операторларды қолдана отырып) кезекті популяцияны жасайды. Бірнеше итерациядан кейін антенналар тобы бағаланып, ең жоғары балл алған жоба таңдалады. Нәтижесіндегі антенна көбінесе қолмен жасалған ең жақсы жобалардан артық болады, себебі оның күрделі асимметриялық пішіні дәстүрлі қолмен жасалған жобалау әдістерімен анықталмайтын болады. Эволюцияланған антеннаның алғашқы жобалары 1990 жылдардың ортасында Микиелсен, Альтшулер, Линден, Хаупт және Рахмат Самиидің жұмысынан пайда болды. Көптеген мамандар антенналық жобаларды дамыту үшін генетикалық алгоритмдік техниканы немесе оның түрлерін қолданады. Эволюцияланған антеннаның мысалы – 2006 жылы NASA миссиясы үшін жасалған X жолақты антенна. Миссияның мақсаты болашақ ғарыш миссияларында қолданылуы мүмкін инновациялық технологияларды көрсету болды. Әрбір спутникте жер станцияларымен байланыс үшін екі антенна болды – ерекше құрылымы бар эволюцияланған антенна және стандартты төрт спиральді антенна. Біріншісі миссияның қиын талаптарын орындау үшін жасалған, атап айтқанда, дөңгелек поляризацияланған толқын үшін кең сәулелену бұрышын және X жолағындағы жоғары және төмен жиіліктерді қамтитын кең кедергі жолағын біріктіру үшін. Екі антенна да Нью-Мексико штатының Ғылыми зертханасында жасалған. Олардың сыртқы түрі негізінен бірдей болды, себебі сәулеленуші элементтерді көбіктік радиоммен жапқан. ST5 миссиясы 2006 жылдың 22 наурызында сәтті ұшырылып, NASA тоқтатуға дейін миссиялық кезеңде жұмыс істеді. Осылайша, бұл эволюцияланған антенна ғарышқа ұшырылған әлемдегі алғашқы жасанды эволюцияланған нысанды білдіреді. Басқа эволюцияланған антенналар кейіннен Ай атмосферасы және шаң ортасын зерттеу ғарыш кемесінде де қолданылды.

The computer program starts with simple antenna shapes, then adds or modifies elements in a semirandom manner to create a number of new candidate antenna shapes. These are then evaluated to determine how well they fulfill the design requirements, and a numerical score is computed for each. Then, in a step similar to natural selection, a portion of the candidate antennas with the worst scores are discarded, leaving a smaller population of the highest scoring designs. Using these antennas, the computer repeats the procedure, generating a successive population (using operators such as mutation, crossover, and selection) from which the higher scoring designs are selected. After a number of iterations, the population of antennas is evaluated and the highest scoring design is chosen. The resulting antenna often outperforms the best manual designs, because it has a complicated asymmetric shape that could not have been found with traditional manual design methods. The first evolved antenna designs appeared in the mid 1990s from the work of Michielssen, Altshuler, Linden, Haupt, and Rahmat Samii. Most practitioners use the genetic algorithm technique or some variant thereof to evolve antenna designs. An example of an evolved antenna is an X band antenna evolved for a 2006 NASA mission called Space Technology 5 (ST5). The mission's objective was to demonstrate innovative technologies of potential use in future space missions. Each satellite had two communication antennas to talk to ground stations an evolved antenna with unusual structure, and a more standard, quadrifilar helix antenna. The former was evolved to meet a challenging set of mission requirements, notably the combination of wide beamwidth for a circularly polarized wave and wide impedance bandwidth to cover the up and down link frequencies at X band. Both antennas were fabricated by the Physical Science Laboratory at New Mexico State University. Their external appearance was essentially identical in that a foam radome covered the radiating elements. The ST5 mission successfully launched on March 22, 2006, and operated for the mission period before being decommissioned by NASA, and so this evolved antenna represents the world's first artificially evolved object to fly in space. Other evolved antennas were subsequently used on the Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer spacecraft.