陣列天線、陣列天線方向圖的賦形裝置及賦形方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及通訊天線技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種陣列天線、陣列天線方向圖的賦形 裝置及賦形方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著近代微波通訊，衛(wèi)星通訊以及航天技術(shù)的迅猛發(fā)展，當(dāng)前社會(huì)對(duì)通訊系統(tǒng)的 要求越來(lái)越高，尤其是使用者對(duì)于天線的方向圖的波束寬度以及精確度越來(lái)越高。這些要 求對(duì)于天線設(shè)計(jì)及研發(fā)是一個(gè)很大的考驗(yàn)。
[0003] 天線的方向圖可以反映出天線的輻射特性。一般情況下，天線方向圖可以表示天 線輻射電磁波的功率或場(chǎng)強(qiáng)在空間各個(gè)方向的分布圖形。在陣列天線方向圖合成時(shí)，首先 給出設(shè)計(jì)需要的目標(biāo)方向圖，再利用合適的算法計(jì)算出每個(gè)天線單元賦形目標(biāo)方向圖形的 最優(yōu)解的幅度和相位。最后，依據(jù)此組數(shù)據(jù)作為激勵(lì)，可將陣列天線方向圖賦形成所需的目 標(biāo)形狀。
[0004] -個(gè)優(yōu)秀的算法對(duì)設(shè)計(jì)出一款高效、方向圖精確度高的陣列天線變得非常重要。 經(jīng)典的遺傳算法經(jīng)常用于天線方向圖的合成設(shè)計(jì)。而遺傳算法的適應(yīng)度反應(yīng)了合成方向圖 和目標(biāo)方向圖的擬合程度，適應(yīng)度越高，算法計(jì)算出的幅度和相位值越精確，方向圖的擬合 度越高。反之，遺傳算法的適應(yīng)度越低，則應(yīng)用該遺傳算法計(jì)算得出的幅度和相位值的精確 度也越低，表明方向圖的擬合度越低。
[0005] 經(jīng)典的遺傳算法解決陣列天線綜合的主要流程是，首先隨機(jī)地產(chǎn)生初始種群。接 著，將以上隨機(jī)產(chǎn)生的初始種群代入預(yù)先設(shè)定的表達(dá)式，計(jì)算出陣列方向函數(shù)。將其與相應(yīng) 的目標(biāo)方向圖做差，并且根據(jù)不同方向的重要性對(duì)所得的差分別加權(quán)，取每個(gè)個(gè)體中不同 方向上差的絕對(duì)值和，然后取倒數(shù)得到每個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度值。根據(jù)單一的選擇策略（例如 賭輪盤(pán)法或者精英選擇），配合適應(yīng)度選擇再生個(gè)體。對(duì)再生個(gè)體進(jìn)行交叉，可以使下一代 種群遺傳上一代的基因。按照一定的交叉概率和交叉算法，生成新的個(gè)體。為了避免近親 繁殖，陷入局部最優(yōu)，按照一定的變異概率和變異算法，在交叉生成的個(gè)體進(jìn)行變異，再次 生成新的個(gè)體。最后，判斷是否達(dá)到停止條件，比如是否達(dá)到最大遺傳代數(shù)或者適應(yīng)度值是 否達(dá)到預(yù)設(shè)要求。若符合停止條件則輸出最佳值，否則，返回重新計(jì)算個(gè)體的適應(yīng)度值，直 到達(dá)到停止條件。
[0006] 在經(jīng)典的遺傳算法中，賭輪盤(pán)法選擇算子作用于群體時(shí)，能保護(hù)群體基因的多樣 性，但并不能保證子輩的性能總是好于父輩，群體的進(jìn)化會(huì)出現(xiàn)反復(fù)，甚至?xí)簳r(shí)的倒退現(xiàn) 象，延緩算法的收斂速度。精英選擇能保證子輩的性能不差于父輩，能加快收斂速度，但可 能會(huì)出現(xiàn)早熟收斂問(wèn)題。所以經(jīng)典的遺傳算法在解決陣列天線賦形問(wèn)題時(shí)，一般適應(yīng)度在 0.07以下，目標(biāo)方向圖和合成方向圖的擬合程度以及副瓣大小并不能讓設(shè)計(jì)者完全滿意。
[0007] 而且，在當(dāng)前的天線設(shè)計(jì)中，普通的余割平方擴(kuò)展波束的覆蓋范圍一般在55°以 下，波束的覆蓋范圍較為有限，已經(jīng)難以滿足越來(lái)越高的通信需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中陣列天線賦形時(shí)擬合度低及 天線波束覆蓋范圍有限的問(wèn)題。
[0009] 本發(fā)明首先提供了一種陣列天線方向圖的賦形方法，包括：獲取陣列天線各個(gè)陣 元在耦合條件下的方向圖；根據(jù)各個(gè)陣元在所述耦合條件下的方向圖，隨機(jī)生成初始種群； 為所述初始種群中的每個(gè)個(gè)體計(jì)算適應(yīng)度值，并根據(jù)所述適應(yīng)度值選擇賭輪盤(pán)策略或者精 英選擇策略；根據(jù)所述選擇器所選擇的賭輪盤(pán)策略或者精英選擇策略，配合適應(yīng)度選擇再 生個(gè)體，并對(duì)所述再生個(gè)體進(jìn)行優(yōu)化，生成新的個(gè)體；符合預(yù)設(shè)結(jié)束規(guī)則時(shí)輸出所述陣列天 線的最優(yōu)方向圖。
[0010] 其中，該方法還包括：在所述新的個(gè)體不符合所述預(yù)設(shè)結(jié)束規(guī)則時(shí)，重新計(jì)算所述 適應(yīng)度值。
[0011] 其中，在所述適應(yīng)度值小于或等于適應(yīng)度閾值時(shí)，選擇賭輪盤(pán)策略，否則選擇精英 選擇策略。
[0012] 本發(fā)明還提供了一種陣列天線方向圖的賦形裝置，包括：輸入端，獲取陣列天線各 個(gè)陣元在耦合條件下的方向圖；種群生成器，根據(jù)各個(gè)陣元在所述耦合條件下的方向圖隨 機(jī)生成初始種群；選擇器，為所述初始種群中的每個(gè)個(gè)體計(jì)算適應(yīng)度值，并根據(jù)所述適應(yīng) 度值選擇賭輪盤(pán)策略或者精英選擇策略；再生優(yōu)化器，根據(jù)所述選擇器所選擇的賭輪盤(pán)策 略或者精英選擇策略，配合適應(yīng)度選擇再生個(gè)體，并對(duì)所述再生個(gè)體進(jìn)行優(yōu)化，生成新的個(gè) 體；輸出端，符合預(yù)設(shè)結(jié)束規(guī)則時(shí)輸出所述陣列天線的最優(yōu)方向圖。
[0013] 其中，該裝置還包括：反饋控制器，在所述新的個(gè)體不符合所述預(yù)設(shè)結(jié)束規(guī)則時(shí)， 向所述選擇器反饋重新計(jì)算指示；所述選擇器根據(jù)所述重新計(jì)算指示重新計(jì)算所述適應(yīng)度 值。
[0014] 其中，所述選擇器包括：計(jì)算單元，計(jì)算所述適應(yīng)度值；選擇單元，在所述適應(yīng)度 值小于或等于適應(yīng)度閾值時(shí)，選擇賭輪盤(pán)策略，否則選擇精英選擇策略。
[0015] 本發(fā)明還提供了一種陣列天線，包括：彼此間隔距離為半波長(zhǎng)的多個(gè)陣元天線，所 述每一陣元天線包括矩形單元天線及相連的饋線，所述饋線通過(guò)饋點(diǎn)與矩形單元天線的窄 邊相連接。
[0016] 其中，所述陣元天線的數(shù)量為10個(gè)、14個(gè)、16個(gè)或者20個(gè)。
[0017] 其中，所述饋線為具有兩組平行邊的八邊形。
[0018] 其中，所述陣列天線的每個(gè)陣元天線都選定余割平方擴(kuò)展波束為目標(biāo)方向圖。
[0019] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明得益于改進(jìn)型自適應(yīng)遺傳算法的精確賦形，天線方向圖 波束覆蓋寬度能達(dá)到65°。本發(fā)明的X波段天線陣的波束覆蓋范圍更寬，實(shí)用性更好，在飛 機(jī)導(dǎo)航雷達(dá)探測(cè)方面具有非常優(yōu)越的應(yīng)用前景。
[0020] 本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說(shuō)明書(shū)中闡述，并且，部分地從說(shuō)明書(shū)中變 得顯而易見(jiàn)，或者通過(guò)實(shí)施本發(fā)明的技術(shù)方案而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點(diǎn)可通過(guò)在 說(shuō)明書(shū)、權(quán)利要求書(shū)以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)和/或流程來(lái)實(shí)現(xiàn)和獲得。
【附圖說(shuō)明】
[0021] 附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案或現(xiàn)有技術(shù)的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說(shuō)明書(shū)的 一部分。其中，表達(dá)本發(fā)明實(shí)施例的附圖與本發(fā)明的實(shí)施例一起用于解釋本發(fā)明的技術(shù)方 案，但并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案的限制。
[0022] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例的陣列天線方向圖的賦形方法的流程示意圖。
[0023] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例的陣列天線示意圖。
[0024] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例的陣列天線中陣元天線的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例的陣列天線中陣元天線的頻帶圖。
[0026] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例中的陣元在耦合條件下的方向圖。
[0027] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例的陣列天線賦形裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028] 圖7為本發(fā)明實(shí)施例的陣列天線賦形裝置在高適應(yīng)度閾值時(shí)采用改進(jìn)型自適應(yīng) 遺傳算法時(shí)的適應(yīng)度值圖。
[0029] 圖8為本發(fā)明實(shí)施例的陣列天線賦形裝置在低適應(yīng)度閾值時(shí)采用改進(jìn)型自適應(yīng) 遺傳算法時(shí)的適應(yīng)度值圖。
[0030] 圖9為本發(fā)明實(shí)施例的陣列天線賦形裝置未采用精英選擇策略時(shí)應(yīng)用改進(jìn)型自 適應(yīng)遺傳算法時(shí)的適應(yīng)度值圖。
[0031] 圖10為采用經(jīng)典遺傳算法時(shí)的適應(yīng)度值圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 以下將結(jié)合附圖及實(shí)施例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，借此對(duì)本發(fā)明如何應(yīng)用 技術(shù)手段來(lái)解決技術(shù)問(wèn)題，并達(dá)成相應(yīng)技術(shù)效果的實(shí)現(xiàn)過(guò)程能充分理解并據(jù)以實(shí)施。本發(fā) 明實(shí)施例以及實(shí)施例中的各個(gè)特征，在不相沖突前提下可以相互結(jié)合，所形成的技術(shù)方案 均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0033] 另外，附圖所示出的本發(fā)明實(shí)施例的方法所包含的步驟，可以在諸如一組計(jì)算機(jī) 可執(zhí)行指令的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中執(zhí)行。并且，雖然本發(fā)明實(shí)施例的方法在所示的流程圖中體現(xiàn) 出了本發(fā)明的技術(shù)方案在執(zhí)行時(shí)的一定的邏輯順序，但通常而言，該邏輯順序僅限于通過(guò) 該流程圖所示出的實(shí)施例。在本發(fā)明的另一些實(shí)施例中，本發(fā)明的技術(shù)方案的邏輯順序也 可以以不同于附圖所示的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0034] 如圖1所示，本發(fā)明的陣列天線方向圖的賦形方法，主要包括如下步驟。
[0035] 步驟S110,確定由N個(gè)陣元組成的線性陣列天線，獲取陣列天線各個(gè)陣元在耦合 條件下的方向圖。
[0036] 步驟S120,根據(jù)各個(gè)陣元在耦合條件下的方向圖，隨機(jī)地產(chǎn)生初始種群。其中，初 始種群采用二進(jìn)制進(jìn)行表示。
[0037] 步驟S130,為初始種群中的每個(gè)個(gè)體計(jì)算適應(yīng)度值，并根據(jù)適應(yīng)度值選擇賭輪盤(pán) 策略或者精英選擇策略。
[0038] 具體地，是將隨機(jī)產(chǎn)生的初始種群代入表達(dá)式計(jì)算陣列方向函數(shù)，并將相應(yīng)方向 圖與目標(biāo)方向圖求差，根據(jù)不同方向的重要性對(duì)差分別加權(quán)，取每個(gè)個(gè)體中不同方向上差 的絕對(duì)值并求和，然后取倒數(shù)得到適應(yīng)度值。
[0039] 適應(yīng)度f(wàn)it的計(jì)算表達(dá)式如下：
[0041] 其中，weight為每個(gè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的權(quán)重，diff為合成