非周期陣列天線設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種非周期陣列天線設(shè)計方法，包括：建立非周期陣列天線單元模型組，非周期陣列天線單元模型組中包括至少兩個天線單元模型，每個天線單元模型與相鄰的天線單元模型的間距均不同，每個天線單元模型的方向圖和有源電壓駐波比均滿足設(shè)計要求；建立初始非周期陣列天線模型，初始非周期陣列天線模型中包括至少三個天線單元；對初始非周期陣列天線模型依次循環(huán)使用優(yōu)化算法綜合優(yōu)化、根據(jù)優(yōu)化結(jié)果更新非周期陣列天線模型并使用非周期陣列天線單元模型組中的天線單元模型更新天線單元、全波分析處理，當(dāng)在一次循環(huán)處理過程中使用優(yōu)化算法得到的方向圖和使用全波分析得到的方向圖誤差不超過預(yù)設(shè)閾值時，得到非周期陣列天線的設(shè)計結(jié)果。
【專利說明】非周期陣列天線設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及通信技術(shù)，尤其涉及一種非周期陣列天線設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002]陣列天線的綜合設(shè)計通?？梢酝ㄟ^三種方法實現(xiàn)，分別是改變陣列單元的激勵幅度、改變陣列單元的激勵相位和改變陣列單元間的間距。但是對于改變陣列單元的激勵幅度的不等幅陣列設(shè)計方法而言，通常會出現(xiàn)較大的幅度激勵比，而且使用不等幅激勵也會由于陣列單元沒有工作在最大功率而影響陣列的總輻射功率；對于改變陣列單元的激勵相位的不等相位陣列設(shè)計方法而言，相對于不等幅陣列需要使用更多的陣列單元，并且需要使用價格昂貴的移相器來實現(xiàn)相位加權(quán)。而改變陣列單元的間距的不等間距陣列設(shè)計方法具有工作在最大輻射功率、易于實現(xiàn)、成本低等諸多優(yōu)點。
[0003]但是不等間距陣列設(shè)計方法相較于不等幅陣列設(shè)計方法和不等相位陣列設(shè)計方法而言，存在更多難點。首先，陣列的最終單元位置會在整個陣列尺寸范圍內(nèi)產(chǎn)生較大的變化，而且很難控制，對陣列優(yōu)化的限制條件越多越不容易得到較好的優(yōu)化結(jié)果；其次，陣列單元之間的互耦會隨著陣列單元間距變化而變化，從而導(dǎo)致單元的陣中輻射方向圖和單元有源電壓駐波比(Voltage Standing Wave Ratio, VSWR)也隨之產(chǎn)生較大的變化。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)對不等間距陣列的設(shè)計主要有兩種方法，第一種方法主要針對優(yōu)化算法本身，致力于提出更快以及尋優(yōu)能力更強的算法，對單元間的互耦影響不考慮或考慮較少。該方法雖然對算法方面貢獻較大，耗時較短，但綜合設(shè)計的結(jié)果僅針對理想點源，很難在實際設(shè)計中使用。第二種方法考慮單元間互耦的影響，由于陣列單元間距的變化會引起單元間互耦的變化，而為了得到較為準(zhǔn)確的優(yōu)化結(jié)果，通常在采用優(yōu)化算法對陣列進行綜合設(shè)計的每一代中都采用全波分析來獲取單元的方向圖代入綜合設(shè)計中，但對于目前一般采用的如遺傳算法(Genetic Algorithm, GA)、差分進化(Differential Evolution, DE)等優(yōu)化算法而言，每次綜合設(shè)計過程都需要進行成百上千代的進化過程，在每一代中都代入單元方向圖來計算優(yōu)化得到的陣列方向圖，意味著需要相同數(shù)量的全波分析次數(shù)，因此這種方法耗時很長。若采用收斂速度較快的算法可以在一定程度上提高綜合設(shè)計速度，但是并沒有從根本上解決時間消耗問題，而且收斂速度過快也容易導(dǎo)致收斂到局部最優(yōu)值。
[0005]另外，現(xiàn)有技術(shù)對不等間距陣列的設(shè)計方法對單元互耦的影響主要是考慮單元陣中的單元方向圖，提取單元陣中的單元方向圖進行優(yōu)化，很少考慮單元有源電壓駐波比的惡化對整個陣列性能的影響。而實際上，單元互耦的影響對單元方向圖和有源電壓駐波比影響都較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供一種非周期陣列天線設(shè)計方法，用于提供一種高效、準(zhǔn)確的非周期陣列天線設(shè)計方法。
[0007]本發(fā)明提供一種非周期陣列天線設(shè)計方法，包括:[0008]建立非周期陣列天線單元模型組，所述非周期陣列天線單元模型組用于作為非周期陣列天線中天線單元的模板組合，所述非周期陣列天線單元模型組中包括至少兩個天線單元模型，其中每個天線單元模型與相鄰的始天線單元模型的間距均不同，并且每個天線單元模型的方向圖和有源電壓駐波比均滿足設(shè)計要求；
[0009]建立初始非周期陣列天線模型，所述初始非周期陣列天線模型中包括至少三個天線單元；
[0010]對所述初始非周期陣列天線模型依次循環(huán)使用優(yōu)化算法綜合優(yōu)化、根據(jù)優(yōu)化結(jié)果更新所述非周期陣列天線模型并使用所述非周期陣列天線單元模型組中的天線單元模型更新天線單元、全波分析處理，當(dāng)在一次循環(huán)處理過程中使用所述優(yōu)化算法得到的方向圖和使用全波分析得到的方向圖誤差不超過預(yù)設(shè)閾值時，得到非周期陣列天線的設(shè)計結(jié)果。
[0011]本發(fā)明提供的非周期陣列天線設(shè)計方法，在對非周期陣列天線的設(shè)計過程中，首先建立非周期陣列天線模型組，然后使用優(yōu)化算法對非周期陣列天線進行優(yōu)化，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果更新非周期陣列天線模型并將非周期陣列天線中的天線單元替換為非周期陣列天線模型組中的天線單元模型，從而消除陣列天線單元間互耦對有源電壓駐波比的影響，最后對優(yōu)化后的非周期陣列天線模型進行全波分析，并對優(yōu)化結(jié)果全波分析誤差較大的非周期陣列天線模型進行迭代優(yōu)化，由于在每次迭代的過程中，僅進行了一次全波分析，并通過建立非周期陣列天線模型組消除了由于天線互耦對有源電壓駐波比的影響，從而使設(shè)計結(jié)果得到的非周期陣列天線既準(zhǔn)確又節(jié)約優(yōu)化時間。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明實施例提供的非周期陣列天線設(shè)計方法實施例一的流程圖；
[0013]圖2為本發(fā)明實施例提供的非周期陣列天線設(shè)計方法實施例二的流程圖；
[0014]圖3為本發(fā)明實施例提供的非周期陣列天線設(shè)計方法實施例三的流程圖；
[0015]圖4A為雙饋點雙層微帶貼片天線單元模型的側(cè)視示意圖；
[0016]圖4B為雙饋點雙層微帶貼片天線單元模型的頂視示意圖；
[0017]圖5A為圖4A和圖4B所示的雙饋點雙層微帶貼片天線單元模型在不同間距下的方向圖；
[0018]圖5B為圖4A和圖4B所示的雙饋點雙層微帶貼片天線單元模型在不同間距下的有源電壓駐波比示意圖；
[0019]圖6示出對稱直線不等間距陣列模型示意圖；
[0020]圖7示出對非周期陣列天線模型的優(yōu)化過程圖；
[0021]圖8A至圖8F示出對由圖4A和圖4B組成的陣列天線模型進行優(yōu)化和仿真過程的曲線對比圖；
[0022]圖9A至圖91示出由圖4A和圖4B組成的陣列天線模型進行優(yōu)化和仿真結(jié)果的曲線對比圖。
【具體實施方式】
[0023]為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0024]陣列天線是由多個天線單元按照一定的排列方式排列組成的，陣列中的所有天線單元的方向圖共同組成陣列天線的方向圖。非周期陣列天線是指陣列天線中的天線單元的排列方式是非周期性的，由于非周期陣列天線可以僅通過改變陣列中天線單元的排列方式來改變陣列天線的方向圖，因此非周期陣列天線相較于其他形式的陣列天線具有能夠工作在最大輻射功率、更容易實現(xiàn)、成本低等優(yōu)點。非周期陣列天線例如不等間距陣列天線或稀布陣列天線等，本發(fā)明實施例提供的非周期陣列天線設(shè)計方法對非周期陣列天線的具體形式?jīng)]有限制，只要該非周期陣列天線中天線單元的排列方式是非周期性的即可。本發(fā)明實施例提供的非周期陣列天線設(shè)計方法涉及的非周期陣列天線可以為直線陣列、平面陣列或三維陣列等形式。
[0025]由于非周期陣列天線中天線單元數(shù)量較多，天線單元之間的間距無規(guī)律，因此在設(shè)計非周期陣列天線時需要采用一定的優(yōu)化算法對非周期陣列天線進行仿真優(yōu)化。非周期陣列天線中相鄰的天線單元之間產(chǎn)生的互耦會對天線單元的方向圖和有源電壓駐波比產(chǎn)生較大影響，從而影響非周期陣列天線的總的方向圖。
[0026]現(xiàn)有技術(shù)對非周期陣列天線的設(shè)計方法分為下述兩種，第一種是不考慮天線單元之間的互耦，僅通過優(yōu)化算法針對天線單元之間的間距進行優(yōu)化運算，使非周期陣列天線的方向圖滿足設(shè)計要求。但由于未考慮天線單元間的互耦，通過這種方法優(yōu)化得到的非周期陣列天線很難應(yīng)用于實際設(shè)計中。第二種是考慮天線單元之間的互耦，但在使用優(yōu)化算法對天線單元之間的間距進行優(yōu)化時，由于天線單元之間的間距發(fā)生改變，會導(dǎo)致天線單元之間的互耦也發(fā)生改變，僅使用優(yōu)化算法對非周期陣列天線進行優(yōu)化會使優(yōu)化結(jié)果不夠準(zhǔn)確。而在考慮單元之間的互耦的情況下，為了得到較為準(zhǔn)確的優(yōu)化結(jié)果，需要在優(yōu)化算法的每一代中都采用全波分析來獲取天線單元的方向圖代入優(yōu)化結(jié)果。而通過優(yōu)化算法對非周期陣列天線進行優(yōu)化通常需要成百上千代的進化過程，在每一代中都采用全波分析獲取天線單元的方向圖并代入優(yōu)化結(jié)果意味著需要進行與優(yōu)化代數(shù)相同次數(shù)的全波分析。由于對天線單元的方向圖進行全波分析耗時很長，導(dǎo)致這種優(yōu)化方法的耗時很長，并且非常消耗系統(tǒng)資源。另外在第二種情況中，也僅考慮了天線單元互耦導(dǎo)致天線單元方向圖變化對陣列方向圖的影響，而沒有考慮天線單元的有源電壓駐波比對陣列性能的影響，同樣會導(dǎo)致優(yōu)化結(jié)果與實際結(jié)果存在差距。
[0027]本發(fā)明實施例為了解決現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提出了一種非周期陣列天線設(shè)計方法，其中既考慮到天線單元之間互耦導(dǎo)致單元方向圖與有源電壓駐波比變化對陣列方向圖的影響，又避免了使用優(yōu)化算法對天線陣列進行優(yōu)化時在每一代中都使用全波分析獲取天線單元的方向圖帶來的時間消耗，從而提供了一種高效地、可靠地非周期陣列天線設(shè)計方法。
[0028]本發(fā)明實施例提供的非周期陣列天線設(shè)計方法可以針對非周期陣列天線方向圖的各種要求對非周期陣列天線進行設(shè)計，例如對非周期陣列天線的波束賦形設(shè)計或者低副
瓣設(shè)計等。
[0029]圖1為本發(fā)明實施例提供的非周期陣列天線設(shè)計方法實施例一的流程圖，如圖1所示，本實施例的方法包括:[0030]步驟S101，建立非周期陣列天線單元模型組，非周期陣列天線單元模型組用于作為非周期陣列天線中天線單元的模板組合，非周期陣列天線單元模型組中包括至少兩個天線單元模型，其中每個天線單元模型與相鄰的天線單元模型的間距均不同，并且每個天線單元模型的方向圖和有源電壓駐波比均滿足設(shè)計要求。
[0031]具體地，本實施例進行非周期陣列天線設(shè)計的思路是先建立一個非周期陣列天線單元模型組，該非周期陣列天線單元模型組相當(dāng)于在進行非周期陣列天線設(shè)計時的一個模板，在對非周期陣列天線進行優(yōu)化的過程中，可以使用非周期陣列天線單元模型組中的天線單元模型替換優(yōu)化中的非周期陣列天線的天線單元。由于本實施例是對非周期陣列天線進行設(shè)計，而非周期陣列天線中為了使不同的天線單元之間的間距非周期變化，因此在建立非周期陣列天線單元模型組時，至少需要包括兩個天線單元模型。并且為了使優(yōu)化后的非周期陣列天線消除由于天線單元之間的互耦對方向圖和有源電壓駐波比的影響，需要使非周期陣列天線模型組中的所有天線單元模型的方向圖和有源電壓駐波比滿足設(shè)計要求。
[0032]步驟S102，建立初始非周期陣列天線模型，初始非周期陣列天線模型中包括至少三個天線單元。
[0033]具體地，在進行非周期陣列天線的優(yōu)化時，首先需要建立初始非周期陣列天線模型，根據(jù)陣列天線的設(shè)計需要，首先選取適合的天線單元結(jié)構(gòu)、天線單元數(shù)量以及初始天線單元的間距。初始天線單元的間距可以為根據(jù)經(jīng)驗得到的預(yù)設(shè)值或者將天線單元等間距排列。確定初始非周期陣列天線模型中天線單元的尺寸、間距和數(shù)量后，建立初始非周期陣列天線模型。初始非周期陣列天線模型為對非周期陣列天線進行優(yōu)化設(shè)計的開始，初始非周期陣列天線模型的設(shè)計越準(zhǔn)確，優(yōu)化設(shè)計的速度越快。
[0034]步驟S103，對初始非周期陣列天線模型依次循環(huán)使用優(yōu)化算法綜合優(yōu)化、根據(jù)優(yōu)化結(jié)果更新非周期陣列天線模型并使用非周期陣列天線單元模型組中的天線單元模型更新天線單元、全波分析處理，當(dāng)在一次循環(huán)處理過程中使用優(yōu)化算法得到的方向圖和使用全波分析得到的方向圖誤差不超過預(yù)設(shè)閾值時，得到非周期陣列天線的設(shè)計結(jié)果。
[0035]具體地，對初始非周期陣列天線進行優(yōu)化設(shè)計主要分為三步，首先使用優(yōu)化算法對初始非周期陣列天線模型進行綜合優(yōu)化，使優(yōu)化后的非周期陣列天線模型的方向圖滿足設(shè)計要求；然后根據(jù)優(yōu)化結(jié)果更新非周期陣列天線模型中天線單元之間的間距并將優(yōu)化后的非周期陣列天線模型中天線單元替換為與其最接近的非周期陣列天線單元模型組中的天線單元模型，得到更新后的非周期陣列天線模型，最后對更新后的非周期陣列天線模型進行全波分析，將全波分析后的方向圖與使用優(yōu)化算法優(yōu)化后的方向圖進行對比，若兩者之間的誤差不超過預(yù)設(shè)閾值，則得到非周期陣列天線的設(shè)計結(jié)果；若上述兩者之間的誤差超過預(yù)設(shè)閾值，則對得到的非周期陣列天線再次進行本步驟中的三步處理，直到使用優(yōu)化算法得到的方向圖和使用全波分析得到的方向圖誤差不超過預(yù)設(shè)閾值時，得到非周期陣列天線的設(shè)計結(jié)果。
[0036]本實施例，在對非周期陣列天線的設(shè)計過程中，首先建立非周期陣列天線模型組，然后使用優(yōu)化算法對非周期陣列天線進行優(yōu)化，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果更新非周期陣列天線模型并將非周期陣列天線中的天線單元替換為非周期陣列天線模型組中的天線單元模型，從而消除陣列天線單元間互耦對有源電壓駐波比的影響，最后對優(yōu)化后的非周期陣列天線模型進行全波分析，并對優(yōu)化結(jié)果全波分析誤差較大的非周期陣列天線模型進行迭代優(yōu)化，由于在每次迭代的過程中，僅進行了一次全波分析，并通過建立非周期陣列天線模型組消除了由于天線互耦對有源電壓駐波比的影響，從而使設(shè)計結(jié)果得到的非周期陣列天線既準(zhǔn)確又節(jié)約優(yōu)化時間。
[0037]圖2為本發(fā)明實施例提供的非周期陣列天線設(shè)計方法實施例二的流程圖，如圖2所示，本實施例的方法包括:
[0038]步驟S201，建立初始天線單元模型，初始天線單元模型的方向圖和電壓駐波比滿足設(shè)計要求。
[0039]具體地，非周期陣列天線是由多個天線單元組成的，因此在設(shè)計非周期陣列天線時，需要首先設(shè)計非周期陣列天線中的初始天線單元模型，為了使非周期陣列天線滿足設(shè)計要求，在設(shè)計初始天線單元模型時，需要使初始天線單元模型的方向圖和電壓駐波比滿足設(shè)計要求。由于對于一個非周期陣列天線而言，僅需要為其設(shè)計一個初始天線單元模型，為了保證后續(xù)優(yōu)化設(shè)計的準(zhǔn)確，在此可以采用全波分析的方法對初始天線單元模型進行仿真設(shè)計，使初始天線單元模型的方向圖和電壓駐波比在設(shè)計頻帶內(nèi)盡量優(yōu)化。對初始天線單元模型的仿真可以采用多種方法，例如可以采用Ansys HFSS軟件對初始天線單元模型進行建模并仿真。
[0040]步驟S202，建立初始非周期陣列天線單元模型組，初始非周期陣列天線單元模型組中包括至少兩個初始天線單元模型，其中每個初始天線單元模型與相鄰的初始天線單元模型的間距均不同。
[0041]具體地，使用步驟S201中得到的初始天線單元模型建立初始非周期陣列天線單元模型組，相當(dāng)于建立一組非周期陣列天線中天線單元的初始模板，初始非周期陣列天線單元模型組中每個初始天線單元模型與相鄰的初始天線單元模型的間距均不同，即初始非周期陣列天線單元模型組中提供多個初始天線模型的間距值，以供后續(xù)步驟使用。由于本實施例是對非周期陣列天線進行設(shè)計，而非周期陣列天線中為了使不同的天線單元之間的間距非周期變化，因此在建立初始非周期陣列天線單元模型組時，至少需要包括兩個初始天線單元模型。這樣至少可以提供兩個不同的間距值供后續(xù)步驟使用。
[0042]步驟S203，調(diào)整初始非周期陣列天線單元模型組中天線單元模型的模型參數(shù)，使初始非周期陣列天線單元模型組中每一天線單元模型的有源電壓駐波比均滿足設(shè)計要求，得到非周期陣列天線單元模型組。
[0043]具體地，由于天線單元之間互耦的影響，初始非周期陣列天線模型組中的多個初始天線單元模型會由于互耦的影響導(dǎo)致有源電壓駐波比產(chǎn)生變化，本步驟需要對非周期陣列天線模型組中的初始天線單元模型進行調(diào)整，使初始非周期陣列天線模型組中的所有初始天線單元模型的有源電壓駐波比滿足設(shè)計要求。本步驟對初始天線單元模型的調(diào)整僅限于調(diào)整各初始天線單元模型的模型參數(shù)，包括初始天線單元模型的尺寸、饋點位置等參數(shù)，而不能調(diào)整初始天線單元模型與相鄰的天線單元模型之間的間距，保證調(diào)整后的初始非周期陣列天線模型組的各天線單元模型與相鄰的天線單元模型的間距與步驟S202中相同。對初始非周期陣列天線模型組中初始天線單元模型的有源電壓駐波比進行調(diào)整同樣可以使用多種方法，例如可以采用Ansys HFSS軟件的f 1quet模對初始非周期陣列天線模型組進行建模并仿真。當(dāng)通過調(diào)整使初始非周期陣列天線模型組中所有天線單元模型的有源電壓駐波比均滿足設(shè)計要求，將完成的一組天線單元模型作為非周期陣列天線模型組。[0044]步驟S201至步驟S203是為了建立非周期陣列天線模型組，該非周期陣列天線模型組中包括一組間距不同的天線模型，并且每一天線模型的有源電壓駐波比均滿足設(shè)計要求。相當(dāng)于建立了一組天線模板，供非周期陣列天線的優(yōu)化設(shè)計使用。
[0045]步驟S204，建立初始非周期陣列天線模型，初始非周期陣列天線模型中包括至少三個由初始天線單元模型組成的天線單元。
[0046]具體地，從步驟S204到步驟S208為對非周期陣列天線的設(shè)計優(yōu)化過程。首先需要建立初始非周期陣列天線模型，根據(jù)陣列天線的設(shè)計需要，首先選取適合的天線單元數(shù)量以及初始天線單元的間距。初始天線單元的間距可以為根據(jù)經(jīng)驗得到的預(yù)設(shè)值或者將天線單元等間距排列。確定初始非周期陣列天線模型中天線單元的間距和數(shù)量后，使用步驟S201中得到的初始天線單元模型作為初始非周期陣列天線模型中的天線單元。
[0047]實際上，初始非周期陣列天線模型中天線單元的間距可以不受限制，但若根據(jù)經(jīng)驗值首先將初始非周期陣列天線模型中天線單元的間距設(shè)置的較為合適，則可以縮短對非周期陣列天線的優(yōu)化時間。
[0048]步驟S205，使用優(yōu)化算法對初始非周期陣列天線模型中天線單元的間距進行綜合優(yōu)化，得到優(yōu)化后的非周期陣列天線模型，以使優(yōu)化后的非周期陣列天線模型的方向圖滿足設(shè)計要求。
[0049]具體地，本步驟是對非周期陣列天線的具體優(yōu)化過程，優(yōu)化的目標(biāo)是尋找一組最優(yōu)間距值，使非周期陣列天線在設(shè)計頻帶范圍內(nèi)，方向圖滿足設(shè)計要求。由步驟S204中得到的初始非周期陣列天線模型開始，使用優(yōu)化算法對初始非周期陣列天線模型中天線單元的間距進行綜合優(yōu)化，將優(yōu)化算法的適應(yīng)度函數(shù)設(shè)置為對非周期陣列天線方向圖的設(shè)計要求，得到方向圖滿足設(shè)計要求優(yōu)化后的非周期陣列天線模型。
[0050]本步驟中，對使用的優(yōu)化算法種類不做限制，例如使用DE、GA、粒子群優(yōu)化算法(Particle Swarm Optimization, PS0)等,或 GA、DE、PSO 等的改進算法中任一種算法。例如基于全局和鄰居的差分進化算法(DE with global and local neighborhoods, DEGL)。
[0051]步驟S206，根據(jù)優(yōu)化后的非周期陣列天線模型中天線單元與相鄰的天線單元的間距，將優(yōu)化后的非周期陣列天線模型中的每一天線單元替換為非周期陣列天線單元模型組中的天線單元模型，得到更新后的非周期陣列天線模型。
[0052]具體地，步驟S205中僅使用了優(yōu)化算法對非周期陣列天線進行綜合優(yōu)化，但未考慮天線單元互耦的影響，本步驟中，將天線單元互耦對有源電壓駐波比產(chǎn)生的影響進行消除。首先確定優(yōu)化后的非周期陣列天線模型中每一天線單元與其相鄰的天線單元的間距(設(shè)該間距為間距X)，然后在步驟S203中得到的非周期陣列天線單元模型組中找到與相鄰的天線單元模型間距最接近于間距X的天線單元模型，并使用找到的天線單元模型替換非周期陣列天線模型中的天線單元。即根據(jù)步驟S203中建立的模板替換優(yōu)化后的非周期陣列天線模型中的天線單元。由此即可消除優(yōu)化后的非周期陣列天線模型中天線單元互耦對有源電壓駐波比產(chǎn)生的影響。由此得到更新后的非周期陣列天線模型。
[0053]步驟S207，對更新后的非周期陣列天線模型進行全波分析，若全波分析得到的方向圖與優(yōu)化算法得到的方向圖誤差超過預(yù)設(shè)閾值，則再次對更新后的非周期陣列天線模型依次進行步驟S205、步驟S206和步驟S207的處理，直到全波分析得到的方向圖與優(yōu)化算法得到的方向圖誤差不超過預(yù)設(shè)閾值。[0054]具體地，對非周期陣列天線的設(shè)計中，使用優(yōu)化算法綜合優(yōu)化出的結(jié)果并不十分準(zhǔn)確，因此在本步驟中，對更新后的非周期陣列天線模型進行全波分析，可以得到更新后的非周期陣列天線模型最接近實際情況的方向圖，此時對通過全波分析得到的方向圖和通過優(yōu)化算法得到的方向圖進行比較，若兩者相差過大，超過預(yù)設(shè)誤差閾值，則認(rèn)為通過優(yōu)化算法得到的結(jié)果不夠準(zhǔn)確，需要繼續(xù)對更新后的非周期陣列天線模型進行優(yōu)化，具體步驟是對當(dāng)前的更新后的非周期陣列天線模型重新執(zhí)行步驟S205、步驟S206、步驟S207的處理，即依次對更新后的非周期陣列天線模型進行優(yōu)化算法優(yōu)化更新天線單元間距、天線單元替換、全波分析對比處理，直到全波分析得到的方向圖與優(yōu)化算法得到的方向圖誤差不超過預(yù)設(shè)誤差閾值，即采用迭代的方法對非周期陣列天線進行優(yōu)化設(shè)計。若兩者相差不超過預(yù)設(shè)誤差閾值，則認(rèn)為通過優(yōu)化算法得到的結(jié)果準(zhǔn)確，則執(zhí)行步驟S208。
[0055]步驟S208，將所述更新后的非周期陣列天線模型作為非周期陣列天線設(shè)計結(jié)果。
[0056]具體地，若通過全波分析得到的方向圖和通過優(yōu)化算法得到的方向圖之間的誤差未超過預(yù)設(shè)誤差閾值，則認(rèn)為通過優(yōu)化算法得到的結(jié)果準(zhǔn)確，此時將更新后的非周期陣列天線模型作為本次非周期陣列天線設(shè)計的結(jié)果輸出。
[0057]本實施例，在對非周期陣列天線的設(shè)計過程中，首先建立非周期陣列天線模型組，然后使用優(yōu)化算法對非周期陣列天線進行優(yōu)化更新天線單元間距，并將非周期陣列天線中的天線單元替換為非周期陣列天線模型組中的天線單元模型，從而消除陣列天線單元間互耦對有源電壓駐波比的影響，最后對優(yōu)化后的非周期陣列天線模型進行全波分析，并對優(yōu)化結(jié)果全波分析誤差較大的非周期陣列天線模型進行迭代優(yōu)化，由于在每次迭代的過程中，僅進行了一次全波分析，并通過建立非周期陣列天線模型組消除了由于天線互耦對有源電壓駐波比的影響，從而使設(shè)計結(jié)果得到的非周期陣列天線既準(zhǔn)確又節(jié)約優(yōu)化時間。
[0058]圖3為本發(fā)明實施例提供的非周期陣列天線設(shè)計方法實施例三的流程圖，本實施例以非周期陣列天線為直線非周期陣列天線，非周期陣列天線設(shè)計方法用于使非周期陣列天線方向圖的最大副瓣電平小于預(yù)設(shè)閾值，即對非周期陣列天線進行低副瓣設(shè)計為例對本發(fā)明提供的非周期陣列天線設(shè)計方法進行進一步說明，如圖3所示，本實施例的方法包括:
[0059]步驟S301，建立初始天線單元模型，所述初始天線單元模型的方向圖滿足設(shè)計要求并且電壓駐波比小于等于預(yù)設(shè)閾值。
[0060]具體地，非周期陣列天線是由多個天線單元組成的，因此在設(shè)計非周期陣列天線時，需要首先設(shè)計非周期陣列天線中的初始天線單元模型，為了使非周期陣列天線的方向圖的最大副瓣電平小于預(yù)設(shè)閾值，在設(shè)計初始天線單元模型時，需要使初始天線單元模型的方向圖滿足設(shè)計要求并且電壓駐波比小于等于預(yù)設(shè)閾值。由于對于一個非周期陣列天線而言，僅需要為其設(shè)計一個初始天線單元模型，為了保證后續(xù)優(yōu)化設(shè)計的準(zhǔn)確，在此可以采用全波分析的方法對初始天線單元模型進行仿真設(shè)計，使初始天線單元模型的方向圖和電壓駐波比在設(shè)計頻帶內(nèi)盡量優(yōu)化。對初始天線單元模型的仿真可以采用多種方法，例如可以采用Ansys HFSS軟件對初始天線單元模型進行建模并仿真。
[0061]例如，本實施例需要設(shè)計一個雙饋點雙層微帶貼片陣列天線，該陣列天線為16組天線單元組成的對稱直線不等間距陣列天線，對雙層微帶天線單元組成的陣列天線進行優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計要求該陣列天線的工作頻帶為4.4GHz到5GHz，主波束掃描范圍為±23°，最大副瓣電平低于-16dB。首先，在本步驟中，建立一個雙饋點雙層微帶貼片天線單元模型，如圖4A和圖4B所示，圖4A為雙饋點雙層微帶貼片天線單元模型的側(cè)視示意圖，圖4B為雙饋點雙層微帶貼片天線單元模型的頂視示意圖，圖中x、y、z分別為互相垂直的方向。選取相對介電常數(shù)e r為2.65的介質(zhì)基板,介質(zhì)基板的尺寸為60X60mm2。介質(zhì)基板41的厚度為4mm,介質(zhì)基板42的厚度為3mm。在介質(zhì)基板41上層為方形微帶線貼片43,尺寸為14.9X14.9mm2,在介質(zhì)基板42上層為方形微帶線貼片44，尺寸為16.9 X 16.9mm2。饋電點45和饋電點46為不同極化方式的兩個饋電點，均位于方形微帶線貼片44上，饋電點45和饋電點46之間的垂直和水平距離均為5.64mm。在介質(zhì)基板42的下層為地板47。對該天線單元的饋電點45進行仿真，仿真的單元駐波比小于等于1.5，饋電點45和饋電點46之間的隔離度在頻帶內(nèi)大于19.5dB。將圖4A和圖4B所示的雙饋點雙層微帶貼片天線單元模型作為初始天線單元模型，設(shè)需要對饋電點45進行低副瓣優(yōu)化。
[0062]步驟S302，根據(jù)預(yù)設(shè)最小間距、預(yù)設(shè)最大間距和預(yù)設(shè)間距調(diào)整步長確定初始非周期陣列天線單元模型組中初始天線單元模型的數(shù)量，并將確定數(shù)量的初始天線單元模型組成初始非周期陣列天線單元模型組。
[0063]具體地，在步驟S302設(shè)計好的初始天線單元模型的基礎(chǔ)上，建立一組由初始天線單元模型組成的初始非周期陣列天線單元模型組，該初始非周期陣列天線單元模型組中每個初始天線單元模型與相鄰的天線單元模型的間距不同。由于本實施例中需要設(shè)計的是直線非周期陣列天線，因此只需設(shè)定初始天線單元模型之間的最小間距、最大間距和間距調(diào)整步長即可，然后從最小間距開始，依次增大初始天線單元模型之間的間距，將初始天線單元模型組成初始非周期陣列天線單元模型組。初始天線單元模型與相鄰的天線單元模型的間距可以采用工作頻段波長的不同倍數(shù)來表示。初始天線單元模型與相鄰的天線單元模型的間距過小會導(dǎo)致耦合過于嚴(yán)重，而初始天線單元模型與相鄰的天線單元模型的間距過大又會增大優(yōu)化時間，因此需要初始天線單元模型與相鄰的天線單元模型的最小間距、最大間距和間距調(diào)整步長需要根據(jù)經(jīng)驗值進行預(yù)設(shè)。
[0064]例如，可以將多個圖4A和圖4B所示的雙饋點雙層微帶貼片天線單元模型組成初始非周期陣列天線單元模型組，其中天線單元模型與其相鄰的天線單元模型的最小間距為
0.4 A ( A為工作頻段的波長，一般取頻段的中心頻率，在此，由于工作頻段為4.4GHz到5GHz，因此波長\約等于0.064米)，最大間距為1.2X，間距調(diào)整步長為0.05X，由此可以得到由17個雙饋點雙層微帶貼片陣列天線單元模型組成的陣列，將其作為初始非周期陣列天線單元模型組。由于天線單元模型之間的不同間距會導(dǎo)致天線單元模型的方向圖和有源電壓駐波比發(fā)生改變，如圖5A和圖5B所示，圖5A為圖4A和圖4B所示的雙饋點雙層微帶貼片天線單元模型在不同間距下的方向圖，圖5B為圖4A和圖4B所示的雙饋點雙層微帶貼片天線單元模型在不同間距下的有源電壓駐波比示意圖，圖5A和圖5B示出由圖4A和圖4B所示的天線單元模型產(chǎn)生的方向圖和饋電點45的有源電壓駐波比。其中圖5A示出如圖4A和圖4B所示的天線單元模型產(chǎn)生的X-Z平面的方向圖，圖中曲線51為與相鄰的天線單元模型最小間距0.5入的天線單元模型的方向圖，曲線52為與相鄰的天線單元模型最小間距0.7X的天線單元模型的方向圖，曲線53為與相鄰的天線單元模型最小間距0.9X的天線單元模型的方向圖，曲線54為與相鄰的天線單元模型最小間距1.1 A的天線單元模型的方向圖。圖5B示出如圖4A和圖4B所示的天線單元模型中饋電點45的有源電壓駐波比，圖中曲線55為與相鄰的天線單元模型最小間距0.5 X的天線單元模型的有源電壓駐波比，曲線56為與相鄰的天線單元模型最小間距0.7 X的天線單元模型的有源電壓駐波比。從圖中可以看出，在不同間距的情況下，圖4A和圖4B所示的雙饋點雙層微帶貼片天線單元模型的饋電點45的有源電壓駐波比變化很大，因此需要對其進行調(diào)整。圖5B中曲線57為與相鄰的天線單元模型最小間距0.5 A的天線單元模型調(diào)整后的有源電壓駐波比，曲線58為與相鄰的天線單元模型最小間距0.7 A的天線單元模型調(diào)整后的有源電壓駐波比。
[0065]步驟S303，對初始非周期陣列天線單元模型組中每一天線單元模型進行仿真，并調(diào)整通過仿真確定的有源電壓駐波比大于預(yù)設(shè)閾值的天線單元模型的模型參數(shù)，使初始非周期陣列天線單元模型組中每一天線單元模型的有源電壓駐波比均小于等于預(yù)設(shè)閾值，得到非周期陣列天線單元模型組。
[0066]具體地，初始非周期陣列天線模型組中的多個初始天線單元模型之間會由于互耦的影響導(dǎo)致有源電壓駐波比產(chǎn)生變化，本步驟需要對非周期陣列天線模型組中的初始天線單元模型進行調(diào)整，使初始非周期陣列天線模型組中的所有初始天線單元模型的有源電壓駐波比滿足設(shè)計要求。本步驟對初始天線單元模型的調(diào)整僅限于調(diào)整各初始天線單元模型的模型參數(shù)，而不能調(diào)整初始天線單元模型與相鄰的天線單元模型的間距，保證調(diào)整后的初始非周期陣列天線模型組的各天線單元模型與相鄰的天線單元模型的間距與步驟S302中相同。對初始非周期陣列天線模型組中初始天線單元模型的有源電壓駐波比進行調(diào)整同樣可以使用多種方法，例如可以采用Ansys HFSS軟件的floquet模建模仿真，對初始非周期陣列天線模型組進行建模并仿真。當(dāng)通過調(diào)整使初始非周期陣列天線模型組中所有天線單元模型的有源電壓駐波比均滿足設(shè)計要求，將完成的一組天線單元模型作為非周期陣列天線模型組。
[0067]例如，對于由圖4A和圖4B所示雙饋點雙層微帶貼片天線單元模型組成的初始非周期陣列天線單元模型組，對每個天線單元模型進行仿真，對于有源電壓駐波比大于1.5的天線單元模型，通過調(diào)整方形微帶線貼片43和微帶線貼片44的尺寸、饋電點45和饋電點46的位置等參數(shù)使該天線單元模型的饋電點45和饋電點46的有源電壓駐波比小于等于1.5。當(dāng)初始非周期陣列天線單元模型組中的所有天線單元模型的有源電壓駐波比都小于等于1.5時，將得到的一組天線單元模型作為非周期陣列天線單元模型組。單元模型調(diào)整前的有源電壓駐波比和調(diào)整后的有源電壓駐波比如圖5B所示。
[0068]步驟S304,確定初始非周期陣列天線模型中天線單元的數(shù)量。
[0069]具體地，非周期陣列天線模型中的天線單元的數(shù)量根據(jù)實際天線設(shè)計需要確定，天線單元的數(shù)量越多，非周期陣列天線的性能越好，但優(yōu)化速度更慢。
[0070]例如本實施例中采用16個單元組成初始非周期陣列天線模型。
[0071]步驟S305，將確定數(shù)量的天線單元按照等間距或預(yù)設(shè)間距排列為初始非周期陣列天線模型。
[0072]具體地，初始天線單元的間距可以為根據(jù)經(jīng)驗得到的預(yù)設(shè)值或者將天線單元等間距排列。確定初始非周期陣列天線模型中天線單元的間距和數(shù)量后，使用步驟S301中得到的初始天線單元模型作為初始非周期陣列天線模型中的天線單元。
[0073]例如本實施例中，采用等間距排列16個如圖4A和圖4B所示的天線單元模型，各天線單元模型之間的間距取步驟S302中最大間距和最小間距之間的中間值0.8 A、或著任意的一個間距值例如0.5入。[0074]步驟S306，使用優(yōu)化算法對初始非周期陣列天線模型中天線單元的間距進行綜合優(yōu)化，得到優(yōu)化后的非周期陣列天線模型，以使優(yōu)化后的非周期陣列天線模型的方向圖的最大副瓣電平小于預(yù)設(shè)閾值。
[0075]具體地，圖6示出對稱直線不等間距陣列模型示意圖，如圖6所示，N個天線單元沿X軸直線排列，多個天線單元分別相對于z軸對稱,天線單元ap表示沿X軸正向的第p個天線單元，天線單元a/表示沿X負(fù)向與天線單元ap對稱的天線單元。(Ii表示相鄰的天線單元之間的間距，Xi表示第i個天線單元與z軸之間的距離。整個陣列的輻射方向圖可以表示為:
[0076]
【權(quán)利要求】
1.一種非周期陣列天線設(shè)計方法，其特征在于，包括: 建立非周期陣列天線單元模型組，所述非周期陣列天線單元模型組用于作為非周期陣列天線中天線單元的模板組合，所述非周期陣列天線單元模型組中包括至少兩個天線單元模型，其中每個天線單元模型與相鄰的天線單元模型的間距均不同，并且每個天線單元模型的方向圖和有源電壓駐波比均滿足設(shè)計要求； 建立初始非周期陣列天線模型，所述初始非周期陣列天線模型中包括至少三個天線單元; 對所述初始非周期陣列天線模型依次循環(huán)使用優(yōu)化算法綜合優(yōu)化、根據(jù)優(yōu)化結(jié)果更新所述非周期陣列天線模型并使用所述非周期陣列天線單元模型組中的天線單元模型更新天線單元、全波分析處理，當(dāng)在一次循環(huán)處理過程中使用所述優(yōu)化算法得到的方向圖和使用全波分析得到的方向圖誤差不超過預(yù)設(shè)閾值時，得到非周期陣列天線的設(shè)計結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立非周期陣列天線單元模型組，所述非周期陣列天線單元模型組用于作為非周期陣列天線中天線單元的模板組合，所述非周期陣列天線單元模型組中包括至少兩個天線單元模型，其中每個天線單元模型與相鄰的始天線單元模型的間距均不同，并且每個天線單元模型的方向圖和有源電壓駐波比均滿足設(shè)計要求，包括: 步驟A:建立初始天線單元模型，所述初始天線單元模型的方向圖和電壓駐波比滿足設(shè)計要求； 步驟B:建立初始非周期陣列天線單元模型組，所述初始非周期陣列天線單元模型組中包括至少兩個初始天線單元模型，其中每個初始天線單元模型與相鄰的初始天線單元模型的間距均不同； 步驟C:調(diào)整所述初始非周期陣列天線單元模型組中天線單元模型的模型參數(shù)，使所述初始非周期陣列天線單元模型組中每一天線單元模型的有源電壓駐波比均滿足設(shè)計要求，得到所述非周期陣列天線單元模型組； 所述建立初始非周期陣列天線模型，所述初始非周期陣列天線模型中包括至少三個天線單元，包括: 步驟D:建立所述初始非周期陣列天線模型，所述初始非周期陣列天線模型中包括至少三個由所述初始天線單元模型組成的天線單元； 所述對所述初始非周期陣列天線模型依次循環(huán)使用優(yōu)化算法綜合優(yōu)化、根據(jù)優(yōu)化結(jié)果更新所述非周期陣列天線模型并使用所述非周期陣列天線單元模型組中的天線單元模型更新天線單元、全波分析處理，當(dāng)在一次循環(huán)處理過程中使用所述優(yōu)化算法得到的方向圖和使用全波分析得到的方向圖誤差不超過預(yù)設(shè)閾值時，得到非周期陣列天線的設(shè)計結(jié)果，包括: 步驟E:使用優(yōu)化算法對所述初始非周期陣列天線模型中天線單元的間距進行綜合優(yōu)化，得到優(yōu)化后的非周期陣列天線模型，以使所述優(yōu)化后的非周期陣列天線模型的方向圖滿足設(shè)計要求； 步驟F:根據(jù)所述優(yōu)化后的非周期陣列天線模型中天線單元與相鄰的天線單元的間距，將所述優(yōu)化后的非周期陣列天線模型中的每一天線單元替換為所述非周期陣列天線單元模型組中的天線單元模型，得到更新后的非周期陣列天線模型；步驟G:對所述更新后的非周期陣列天線模型進行全波分析，若所述全波分析得到的方向圖與所述優(yōu)化算法得到的方向圖誤差超過預(yù)設(shè)閾值，則再次對所述更新后的非周期陣列天線模型依次進行所述步驟E、步驟F和步驟G的處理，直到所述全波分析得到的方向圖與所述優(yōu)化算法得到的方向圖誤差不超過預(yù)設(shè)閾值； 步驟H:將所述更新后的非周期陣列天線模型作為非周期陣列天線設(shè)計結(jié)果。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述非周期陣列天線為直線非周期陣列天線，所述非周期陣列天線設(shè)計方法用于使所述非周期陣列天線方向圖的最大副瓣電平小于預(yù)設(shè)閾值； 所述步驟A包括: 建立初始天線單元模型，所述初始天線單元模型的方向圖滿足設(shè)計要求并且電壓駐波比小于等于預(yù)設(shè)閾值； 所述步驟B包括: 根據(jù)預(yù)設(shè)最小間距、預(yù)設(shè)最大間距和預(yù)設(shè)間距調(diào)整步長確定所述初始非周期陣列天線單元模型組中初始天線單元模型的數(shù)量，并將確定數(shù)量的初始天線單元模型組成所述初始非周期陣列天線單元模型組； 所述步驟C包括: 對所述初始非周期陣列天線單元模型組中每一天線單元模型進行仿真，并調(diào)整通過仿真確定的有源電壓駐波比大于預(yù)設(shè)閾值的天線單元模型的模型參數(shù)，使所述初始非周期陣列天線單元模型組中每一天線單元模型的有源電壓駐波比均小于等于預(yù)設(shè)閾值，得到所述非周期陣列天線單元模型組； 所述步驟D包括: 確定所述初始非周期陣列天線模型中天線單元的數(shù)量； 將確定數(shù)量的天線單元按照等間距或預(yù)設(shè)間距排列為初始非周期陣列天線模型； 所述步驟E包括: 使用優(yōu)化算法對所述初始非周期陣列天線模型中天線單元的間距進行綜合優(yōu)化，得到優(yōu)化后的非周期陣列天線模型，以使所述優(yōu)化后的非周期陣列天線模型的方向圖的最大副瓣電平小于預(yù)設(shè)閾值； 所述步驟F包括: 確定所述優(yōu)化后的非周期陣列天線模型中每一天線單元與相鄰的天線單元的間距；將所述優(yōu)化后的非周期陣列天線模型中的每一天線單元替換為所述非周期陣列天線單元模型組中與相鄰的天線單元模型間距最接近的天線單元模型，得到所述更新后的非周期陣列天線模型。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述非周期陣列天線為對稱直線非周期陣列天線。
5.根據(jù)權(quán)利要求1~4任一項所述的方法，其特征在于，所述優(yōu)化算法包括遺傳算法GA、差分進化DE、粒子群優(yōu)化算法PSO或所述GA、DE、PSO的改進算法中任一種算法。
【文檔編號】G06F17/50GK103646144SQ201310704401
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月19日
【發(fā)明者】陳蕾, 張?zhí)忑g, 余劍峰, 王超, 史小衛(wèi) 申請人:西安電子科技大學(xué)