相控阵天线稀疏化方法研究与应用
发布时间：2022-01-02 00:43
相控阵天线具有波束快速扫描的优点,在经历了几十年快速发展后,现在的应用范围已经包含了雷达系统、无线通信等的诸多领域。正是这些领域对天线性能日益升高的需求,推动着相控阵天线的研究不断地向前发展。针对“动中通”系统对大型平面相控阵低成本、宽角扫描的需求,本文开展了深入的研究,可分为两个方面:一是通过非周期阵列综合的方法来减少相控阵天线阵元数/通道数以降低成本,同时保证扫描性能不恶化;二是设计低成本的双圆极化宽角扫描相控阵天线。其中主要内容如下:1.先介绍了一种改进的实数遗传算法作为优化工具,基于直线阵进行了稀疏、稀布初步研究,然后提出了一种考虑工程实用性的减少大型平面相控阵阵元数的混合稀疏化方法。结合稀疏阵、稀布阵、子阵等方式,将一个八角形面阵划分成若干模块化子阵,子阵级采用稀布方式,阵元级采用稀疏方式,且在阵元级限制移相器比特数以进一步减少成本。算例中优化得到的阵列在波束圆锥扫描±60°范围内,方向图无栅瓣出现,副瓣电平都小于-16dB,与同等增益的均匀阵相比减少了超过50%的单元数。2.设计了一款双线极化宽角扫描平面相控阵天线,采用改进的贴片天线耦合馈电结构,相对带宽达到26%,垂直和...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
文献[5]中的非周期阵列示意图
第一章绪论33)聚簇阵是将周期阵列划分成不规则形状的子阵，子阵内部阵元统一馈电，如图1-1（c），从而减少通道数。由于阵元位置排布的不确定性，找到满足要求的最优解是一个复杂的随机优化问题，导致非周期阵列的设计难度很高。最初只有统计学、线性规划或寻找解析解等效率很低、有局限性的方法，到后来依靠计算机技术的强大运算能力而涌现出了许多全局优化算法，如遗传算法（GeneticAlgorithm,GA）、差分进化算法（DifferentialEvolution,DE）、粒子群算法（ParticleSwarmOptimization,PSO）、模拟退火算法（SimulatedAnnealing,SA）以及其他算法等等[6-13]。其中最具有代表性的当属遗传算法，R.L.Haupt在1994年首次将GA用于均匀直线阵的稀疏综合中[6]，将200个阵元设为二进制编码，0和1分别代表阵元移除和保留两种状态。通过模拟自然界生物不断迭代进化，最终得到副瓣电平最低的阵元位置分布最优解。在图1-2（a）的算例中，保留77%阵元的半波长直线阵优化后的侧射方向图峰值副瓣电平仅为-22.09dB。此外，Haupt还对20×10平面阵进行了稀疏优化，如图1-2（b），其中白色代表保留阵元，黑色代表移除阵元，对称分布，保留58%阵元情况下峰值副瓣电平为-19.76dB。之后不断有学者将此作为参考进一步而研究，如2003年王玲玲同样对200个阵元的直线阵进行稀疏[12]，使用FFT加快了GA的优化速度并通过幅相加权进一步降低副瓣电平，最终得到了-24.83dB的结果。随后在2006年，陈客松提出一种改进的实数编码遗传算法对平面阵进行稀布优化[13]，并对阵元最小间距和阵列孔径同时进行了约束，之后又将其用于同心圆环阵的稀疏优化，均取得了良好的结果。（a）（b）图1-2文献[6]利用GA进行稀疏阵列综合。（a）直线阵方向图；（b）平面阵稀疏
电子科技大学硕士学位论文4文献[14]中，2017年J.Diao在稀布平面阵的基础上，将其分成若干正方形子阵，如图1-3，增加了旋转量这一自由度，旋转角度可以为（0°,90°,180°,270°），优化子阵旋转来进一步降低副瓣。还研究了阵面口径，阵元数目，子阵数目和副瓣的关系曲线，并与均匀阵，稀布阵，平铺子阵作了比较，证明了该方法的副瓣水平、方向性和带宽都比较均衡，而且计算复杂度较低。不过由于旋转会改变天线极化方向，主要适用于圆极化的阵列。图1-3文献[14]中的稀布阵划分子阵旋转方法图1-4文献[24]中的三种方法对比最后还有一类方法，可以概括为利用数学工具的快速综合方法，结合了阵列方向图的特殊性质，计算速度比全局优化算法快很多，可以适合于大规模非周期阵列的设计。如利用傅里叶变换和逆变换与阵因子的对应关系而出现的迭代傅里叶变换（IterationFastFourierTransform,IFFT）方法[15,16]；将阵列方向图归结为凸问题
【参考文献】：
期刊论文
[1]低轮廓动中通天线研究现状[J]. 李琳,万继响. 空间电子技术. 2015(03)
[2]卫星移动通信相控阵天线研究现状与技术展望[J]. 韩国栋,杜彪,陈如山. 无线电通信技术. 2013(04)
[3]“动中通”卫星通信技术[J]. 李耐和. 现代军事. 2007(07)
[4]运用遗传算法综合稀疏阵列[J]. 王玲玲,方大纲. 电子学报. 2003(S1)
博士论文
[1]具有宽角度扫描特性的非周期天线阵列研究[D]. 程友峰.电子科技大学 2018
硕士论文
[1]宽带宽角稀疏阵列综合[D]. 颜创.电子科技大学 2019
[2]大间距相控阵天线栅瓣抑制方法研究[D]. 罗天光.电子科技大学 2014
本文编号：3563129
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
文献[5]中的非周期阵列示意图
第一章绪论33)聚簇阵是将周期阵列划分成不规则形状的子阵，子阵内部阵元统一馈电，如图1-1（c），从而减少通道数。由于阵元位置排布的不确定性，找到满足要求的最优解是一个复杂的随机优化问题，导致非周期阵列的设计难度很高。最初只有统计学、线性规划或寻找解析解等效率很低、有局限性的方法，到后来依靠计算机技术的强大运算能力而涌现出了许多全局优化算法，如遗传算法（GeneticAlgorithm,GA）、差分进化算法（DifferentialEvolution,DE）、粒子群算法（ParticleSwarmOptimization,PSO）、模拟退火算法（SimulatedAnnealing,SA）以及其他算法等等[6-13]。其中最具有代表性的当属遗传算法，R.L.Haupt在1994年首次将GA用于均匀直线阵的稀疏综合中[6]，将200个阵元设为二进制编码，0和1分别代表阵元移除和保留两种状态。通过模拟自然界生物不断迭代进化，最终得到副瓣电平最低的阵元位置分布最优解。在图1-2（a）的算例中，保留77%阵元的半波长直线阵优化后的侧射方向图峰值副瓣电平仅为-22.09dB。此外，Haupt还对20×10平面阵进行了稀疏优化，如图1-2（b），其中白色代表保留阵元，黑色代表移除阵元，对称分布，保留58%阵元情况下峰值副瓣电平为-19.76dB。之后不断有学者将此作为参考进一步而研究，如2003年王玲玲同样对200个阵元的直线阵进行稀疏[12]，使用FFT加快了GA的优化速度并通过幅相加权进一步降低副瓣电平，最终得到了-24.83dB的结果。随后在2006年，陈客松提出一种改进的实数编码遗传算法对平面阵进行稀布优化[13]，并对阵元最小间距和阵列孔径同时进行了约束，之后又将其用于同心圆环阵的稀疏优化，均取得了良好的结果。（a）（b）图1-2文献[6]利用GA进行稀疏阵列综合。（a）直线阵方向图；（b）平面阵稀疏
电子科技大学硕士学位论文4文献[14]中，2017年J.Diao在稀布平面阵的基础上，将其分成若干正方形子阵，如图1-3，增加了旋转量这一自由度，旋转角度可以为（0°,90°,180°,270°），优化子阵旋转来进一步降低副瓣。还研究了阵面口径，阵元数目，子阵数目和副瓣的关系曲线，并与均匀阵，稀布阵，平铺子阵作了比较，证明了该方法的副瓣水平、方向性和带宽都比较均衡，而且计算复杂度较低。不过由于旋转会改变天线极化方向，主要适用于圆极化的阵列。图1-3文献[14]中的稀布阵划分子阵旋转方法图1-4文献[24]中的三种方法对比最后还有一类方法，可以概括为利用数学工具的快速综合方法，结合了阵列方向图的特殊性质，计算速度比全局优化算法快很多，可以适合于大规模非周期阵列的设计。如利用傅里叶变换和逆变换与阵因子的对应关系而出现的迭代傅里叶变换（IterationFastFourierTransform,IFFT）方法[15,16]；将阵列方向图归结为凸问题
【参考文献】：
期刊论文
[1]低轮廓动中通天线研究现状[J]. 李琳,万继响. 空间电子技术. 2015(03)
[2]卫星移动通信相控阵天线研究现状与技术展望[J]. 韩国栋,杜彪,陈如山. 无线电通信技术. 2013(04)
[3]“动中通”卫星通信技术[J]. 李耐和. 现代军事. 2007(07)
[4]运用遗传算法综合稀疏阵列[J]. 王玲玲,方大纲. 电子学报. 2003(S1)
博士论文
[1]具有宽角度扫描特性的非周期天线阵列研究[D]. 程友峰.电子科技大学 2018
硕士论文
[1]宽带宽角稀疏阵列综合[D]. 颜创.电子科技大学 2019
[2]大间距相控阵天线栅瓣抑制方法研究[D]. 罗天光.电子科技大学 2014
本文编号：3563129
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