Metodologia de síntese de filtros de microondas de topologias arbitrárias utilizando algoritmo evolucionário híbrido (memético) associado a conhecimento especialista

Abstract

Este trabalho discute a aplicação de metodologias evolucionárias ao projeto de filtros de RF/microondas demandados nos sistemas eletrônicos atuais. A recente tendência por operações em múltiplas bandas de freqüências dos sistemas de comunicações móveis impõe especificações cada vez mais rigorosas para os circuitos de microondas, tais como tamanho reduzido e operações multi-bandas, que são características difíceis de serem obtidas por métodos convencionais. Propõe-se aqui um método de síntese automática de circuitos analógicos de duas portas, usando algoritmo evolucionário híbrido (memético), capaz de atender às necessidades das aplicações modernas. O algoritmo proposto aplica conhecimento especialista para definir um esquema de representação variável bidimensional utilizando matriz posicional e operadores genéticos 2D adequados, para impor um conjunto moderado de restrições estruturais às soluções candidatas sem, contudo, perder a flexibilidade para gerar topologias inovadoras. A combinação de um algoritmo evolucionário bi-objetivo (para evoluir topologias) com processos de busca local utilizando a técnica Simulated Annealing em locais estratégicos do ciclo evolucionário (para melhorar os parâmetros) potencializam o algoritmo, e permitem um balanceamento entre a otimização da topologia e dos parâmetros, que ocorrem simultaneamente. Os resultados mostram que a aplicação do método evolucionário proposto é capaz de gerar, com pequenas populações, poucas gerações, circuitos de duas portas de tamanhos reduzidos e estruturados, em conformidade com as especificações. São sintetizados vários filtros cujos projetos apresentam considerável grau de dificuldade, tais como filtros passafaixa assimétricos, filtros rejeita-faixa, filtros de duas faixas de passagem e filtros de banda larga. _________________________________________________________________________________ ABSTRACT

This work discusses the use of evolutionary methodologies in the project of RF/Microwave Filters demanded in the current electronic systems. The recent trend of multi-frequency bands operations in wireless communication systems along with the explosion in wireless portable devices are imposing more stringent requirements such as size reduction, and multi-band operations for the microwave circuits, which are difficult characteristics to be obtained by conventional methodologies. Here, the method proposed is of an automated synthesis of two-port analogical circuits, using hybrid evolutionary (memetic) algorithm, capable of attending the needs of modern applications. The proposed algorithm applies expert knowledge to define a bidimensional representation scheme of variable size using a positional matrix and suitable genetic 2D operators, for imposing a set of moderate constraints on the structure of the candidate solutions, without, however, losing the flexibility to generate innovating topologies. The combination of an bi-objective evolutionary algorithm (to evolve topologies) and a processes of local search using Simulated Annealing technique in strategic locals of evolutionary cycle (to improve the parameters) strives for the maximum potential of the algorithm, and allows the balance between topology and parameters optimization, which occurs simultaneously. The results show that the proposed evolutionary method application is capable of generating, with small populations, few generations, two-port circuits of reduced and structured sizes, according to the specifications. Several filters are synthesized which projects present a considerable difficulty degree, such as asymmetric bandpass filters, stopband filters, dualband bandpass filters, and wideband filters.