基于四維天線理論和強互耦效應(yīng)的陣列天線技術(shù)研究.pdf

1、各種現(xiàn)代無線電子系統(tǒng)的飛速發(fā)展促使著天線系統(tǒng)朝著多功能、高性能以及低成本方向發(fā)展。單個天線單元由于自身的局限性，很難滿足現(xiàn)代無線電子系統(tǒng)所追尋的波束可賦形、可掃描、低副瓣/超低副瓣等特性要求。而陣列天線由于具有較大的設(shè)計自由度，自然成為應(yīng)對上述需求的最佳選擇。時至今日，陣列天線的理論體系近乎完整，人們廣泛認為陣列天線的研究已經(jīng)極為成熟。遺憾的是，現(xiàn)有的陣列天線設(shè)計思路大多還停留在陣列天線這一概念誕生的那一歷史階段，本文將這類陣列天線技術(shù)

2、稱為常規(guī)陣列天線技術(shù)。而常規(guī)陣列天線的性能往往難以滿足如今新應(yīng)用背景下提出的要求。近年來，隨著電磁研究領(lǐng)域諸多學(xué)科分支的發(fā)展，一些看似與陣列天線無關(guān)的技術(shù)，卻一直引導(dǎo)著天線工程師積極探索新的物理機理和設(shè)計理念。本文將這類全新的陣列天線技術(shù)稱為基于新物理機理的陣列天線技術(shù)。然而，到目前為止，有關(guān)基于新物理機理的陣列天線技術(shù)研究少之又少，這主要是這些新型陣列天線設(shè)計理念偏離傳統(tǒng)方法太遠，國際天線研究領(lǐng)域?qū)Υ祟愒O(shè)計理念也較陌生，并未給予足夠重

3、視。因此，要使這些新型陣列天線技術(shù)成為解決諸多工程應(yīng)用問題時的重大突破性技術(shù)，非常有必要對其開展系統(tǒng)的理論研究、方法研究、實驗研究以及應(yīng)用基礎(chǔ)研究。
　　正是基于這個目的，本文從新的視角研究了基于新物理機理的陣列天線技術(shù)。首先，受高速運動目標的多普勒效應(yīng)啟發(fā)，我們在陣列天線中引入了四維天線理論，使得傳統(tǒng)意義上的陣元幅相加權(quán)能夠通過時間加權(quán)方式實現(xiàn)，從而使陣列天線設(shè)計具有更大自由度。我們還在此研究中開發(fā)了一套完整的陣列天線優(yōu)化設(shè)計軟

4、件。其次，受基于緊密排列偶極子的寬帶頻率選擇表面(FSS)設(shè)計思路啟發(fā)，本文通過在天線單元之間引入強互耦效應(yīng)實現(xiàn)了多種寬帶相控陣天線，并針對不同設(shè)計要求提出了具體的設(shè)計思路。此項相控陣天線新技術(shù)消除了傳統(tǒng)寬帶相控陣設(shè)計中減弱或補償互耦效應(yīng)這一設(shè)計框架帶來的限制，為超寬帶相控陣天線設(shè)計開辟了新途徑。本文的主要研究內(nèi)容和結(jié)論可概述如下：
　　1．基于種群進化的現(xiàn)代優(yōu)化理論與算法研究
　　深入研究了用于陣列天線優(yōu)化設(shè)計的現(xiàn)代優(yōu)化理

5、論與算法。通過引入精英保留策略下的多次種群初始化技術(shù)、精英鄰域內(nèi)的深度搜索技術(shù)、種群動態(tài)更新技術(shù)以及基于多次變異的病態(tài)個體修正技術(shù)四項改進措施，提出了修正差分進化算法(ModifiedDifferential Evolution Strategy, MDES)。數(shù)值試驗證明MDES具有如下優(yōu)越性：(1)兼顧深度搜索和廣度搜索能力，并在二者之間找到了平衡；(2)解決了非凸優(yōu)化問題中普通優(yōu)化算法收斂速度緩慢的問題；(3)解決了非凸優(yōu)化問題中

6、普通優(yōu)化算法容易陷入局部最優(yōu)解的難題。針對含有數(shù)字移相器的陣列天線設(shè)計問題，我們提出了混合型差分進化算法(Hybrid Differential Evolution Strategy, HDES)，實現(xiàn)了對同時含有離散參數(shù)和連續(xù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計問題的求解。針對含有多項矛盾指標要求的陣列天線設(shè)計問題，我們還研究了基于差分進化算子和目標分解的多目標、多尺度優(yōu)化算法，數(shù)值試驗表明該方法去除了單目標優(yōu)化算法中需要反復(fù)調(diào)節(jié)目標函數(shù)中加權(quán)系數(shù)的困擾，并

7、且一次優(yōu)化可以產(chǎn)生一個包含多個 Pareto最優(yōu)解的解集。
　　2．四維天線陣面陣的高效綜合方法研究
　　在基于種群進化理論的四維天線陣面陣的優(yōu)化設(shè)計中，需要成千上萬次地進行方向圖計算，這是陣列綜合過程最為耗時的部分。為解決此問題，我們研究了大型平面陣列的快速計算方法，將陣列方向圖的空間計算域映射到二維快速傅立葉逆變換(2D IFFT)的變換域，使得原問題中的累加求和運算轉(zhuǎn)換為快速傅立葉逆變換運算，提高了計算效率。此外，我們

8、提出了使用等幅饋電的三角柵格平面陣列實現(xiàn)低副瓣和差波束，并采用基于2D IFFT和MDES的聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計方法，大大提高了波束綜合效率。針對低副瓣三維復(fù)雜賦形波束設(shè)計問題，我們一改傳統(tǒng)Woodward-Lawson方法中的等幅直線陣加權(quán)擬合技術(shù)，提出了基于泰勒直線陣加權(quán)的新型二維Woodward-Lawson技術(shù)，這為低副瓣或超低副瓣三維復(fù)雜賦形波束設(shè)計提供了最為直接有效的技術(shù)途徑。值得一提的是，上述低副瓣波束都是在激勵幅度動態(tài)范圍極小的

9、條件下實現(xiàn)的，這在常規(guī)陣列天線中是無法做到的。
　　3．四維陣列天線的工程應(yīng)用基礎(chǔ)研究
　　在單脈沖雷達系統(tǒng)的應(yīng)用研究方面，提出了一種基于雙向相位中心移動模型的四維天線陣線陣單脈沖雷達系統(tǒng)。其新穎性在于：(1)同時在不同頻率上實現(xiàn)和差波束，接收一個目標回波能得到兩個高頻角誤差信號，并且接收和差波束性能較常規(guī)陣列天線易于控制，獲取角誤差信號時間更短，在相同時間內(nèi)獲得的目標測角精度更高。(2)通過合理設(shè)計陣元激勵和工作時序，容易

10、在邊帶上合成強干擾源，適于在有電子反對抗需求的系統(tǒng)中使用。在智能天線應(yīng)用研究方面，我們提出了一種基于四維天線陣線陣接收功率最小化原理的自適應(yīng)置零技術(shù)，該方法與傳統(tǒng)自適應(yīng)置零天線陣相比具有如下顯著優(yōu)勢：(1)時間的控制比激勵幅度的控制更容易、更準確；(2)可以產(chǎn)生更深的零深；(3)對主波束的擾動更小。
　　4．基于強互耦效應(yīng)的寬帶相控陣天線技術(shù)研究
　　從強互耦效應(yīng)的不同實現(xiàn)方式出發(fā)，首先研究了基于強電容耦合偶極子的寬帶相控陣

11、，并隨后提出了基于八角環(huán)單元的強電容耦合寬帶相控陣天線設(shè)計方案。在此研究基礎(chǔ)上，我們還提出了強互耦寬帶相控陣的“增益-帶寬”擇優(yōu)設(shè)計方案?；趶婋娙蓠詈吓紭O子的寬帶相控陣的理論和實驗結(jié)果表明該天線具有6:1的寬頻帶特性，且掃描范圍達±45°?；诎私黔h(huán)單元的強電容耦合寬帶相控陣的理論和實驗結(jié)果表明該天線具有4.5:1的寬頻帶特性，且掃描范圍達±45°。
　　5．基于強耦合調(diào)諧技術(shù)的低剖面寬帶微帶天線單元設(shè)計方法研究
　　提出