半空域覆盖波束成形阵列优化分析与设计

发布时间：2020-05-31 11:32

【摘要】：天线是一种接收和发射电磁波的装置,它在现代无线电通信系统中起着极其重要的作用。天线的种类有多种,常见的有偶极子天线、环形天线、喇叭天线、螺旋天线、微带天线等。在大部分应用场景中,单天线模式就能很好地完成通信任务,但随着通信技术指标要求的不断提高,人们往往需要天线在一些特定的场合下具有高增益、强方向性、窄波束以及低旁瓣等辐射特性,而此时单天线的工作模式难以达到既定需求,于是阵列天线的概念便应运而生。阵列天线由多个天线单元按照一定的空间排列方式组合在一起,天线单元均是独立的辐射源。阵列天线根据其分布形式可分成多种,如直线阵、平面阵、共形阵。通过调整阵列天线的空间分布形式、阵列单元总数目、各单元的电流激励幅度及激励相位来确定阵列天线的辐射特性称之为阵列天线的分析问题;反之,则称之为阵列天线的综合问题。作为众多相控阵天线形式的其中一种,本文研究的半空域覆盖波束成形阵列天线涵盖了现代雷达、卫星通信以及导航等热点问题,尤其在军事通信地空平台中有着广泛的应用,同时半空域覆盖波束成形阵列天线被普遍应用到如无人机、自动驾驶汽车、高铁等快速运行的载体上。半空域覆盖波束成形阵列要求其辐射特性满足在水平面(即?(28)90~o)的最大增益至少能够达到15dBi以上,在过顶面(即?(28)0~o)的最大增益至少能够达到4dBi以上的指标需求,同时需要满足半功率波瓣宽度小于15~o,对最大旁瓣电平的抑制能够达到15dB以上的条件,并且实现水平角0~o到360~o以及俯仰角-90~o到90~o的波束成形覆盖。为了满足设计指标需求,本文将从阵列天线的综合优化方法以及半空域覆盖波束成形阵列设计两个方面入手进行深入分析研究。达到阵列既定辐射特性的关键技术在于解决阵列天线综合中的单元电流激励幅度分布优化问题。传统的阵列天线综合方法,如道尔夫-切比雪夫、泰勒综合法等虽然在直线阵上能得到较好的优化结果,但是对于阵列规模更大、分布更加复杂圆环阵或者共形阵而言,传统的阵列天线综合方法在此类优化问题上会有很大的局限性,往往无法得到准确的结果。粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization,PSO)作为一种基于生物群体智能的新型随机搜索算法在面对高维、非线性、多峰值的优化问题时能够得到较为精确的结果,因此被广泛应用到了阵列天线的综合优化中。但是粒子群算法自身具有容易出现早熟、收敛不稳定以及易陷入局部最优值等问题,为了解决这些缺点,本文在标准粒子群算法的基础上针对算法自身的迭代过程和粒子的更新方式提出了一种改进型的粒子群算法,并经过函数测试,证明了其相比标准粒子群算法拥有了更好的收敛特性。与此同时,为了实现阵列在半空域空间范围内的波束覆盖,本文首先设计了一种满足单元指标要求的宽带圆极化定向微带天线,并在此基础上构建了基于分层分区工作原理的多平面空间立体结构阵列,再由改进型粒子群算法优化的馈电激励后,通过HFSS分析软件进行实物仿真证明了该设计符合项目指标的要求。
【图文】：

冷战期间,伊利诺斯州,相控阵,共形

4出一种直径更大，由 120 个天线单元组成的 Wullenweber 天线阵，如图 1-3 所示。图1-3 伊利诺斯州立大学Wullenweber天线阵此后的冷战期间到 90 年代后期，各国对共形相控阵领域的研究不断深入。JimWait 在圆环阵列模型的基础上进一步研究了圆柱共形阵[18]的辐射特性。在他的研究工作基础上，，Hessel 等人用模式展开技术或高频衍射技术继续向前拓展，并且在后续研究中考虑了阵列中天线单元之间的相互耦合影响。在军事领域中，共形相控阵的研究发展更加迅猛，共形阵天线被安装在各种飞行器表面，如图 1-4 所示为一个集成在飞机机翼前缘上的共形阵列天线[19]。图 1-5 所示为贴合在卫星表面用于卫星数据通信的锥台共形阵列天线[20]。图1-4 飞机机翼前缘上的共形阵列天线

共形阵列,飞机机翼,天线,前缘

飞机机翼前缘上的共形阵列天线
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN820

【参考文献】