基于進(jìn)化算法的超寬帶TEM喇叭天線陣列優(yōu)化研究.pdf

1、超寬帶雷達(dá)、超寬帶通信、超寬帶成像和超寬帶電磁脈沖武器等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，成為推動(dòng)超寬帶天線研究的巨大動(dòng)力，并對(duì)超寬帶天線提出了越來越高的要求。在眾多形式的超寬帶天線中，TEM喇叭天線及其變形天線是常用的高功率超寬帶天線，工作于TEM模，定向輻射能力較強(qiáng)，易于工程實(shí)現(xiàn)，在超寬頻帶內(nèi)具有恒阻抗特性，可以有效輻射時(shí)域窄脈沖信號(hào)。由于饋源、尺寸和功率等因素的限制，宜于采用陣列技術(shù)，以方便控制天線的輻射特性，減小波束寬度、降低副瓣電平和提高輻射功

2、率，在諸如雷達(dá)系統(tǒng)、電子對(duì)抗、地下傳感等眾多軍事和民用領(lǐng)域也有著非常廣闊的應(yīng)用前景。 對(duì)超寬帶天線陣列的分析存在一定難度，而對(duì)它的綜合或優(yōu)化將更具有挑戰(zhàn)性，由于超寬帶天線陣列中的優(yōu)化變量與優(yōu)化目標(biāo)呈強(qiáng)烈的非線性關(guān)系，傳統(tǒng)的優(yōu)化方法往往無能為力——盡管如此，研究較為完善的適合于超寬帶天線陣列優(yōu)化的方法卻是非常必要和迫切的，它將直接影響到超寬帶天線陣列的各項(xiàng)性能指標(biāo)以及陣列快速優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)。本文將以時(shí)域有限差分法(FDTD)為電磁

3、輻射正問題的求解基礎(chǔ)，以全局優(yōu)化算法——微遺傳算法、改進(jìn)微遺傳算法及其多目標(biāo)進(jìn)化算法分別處理天線及其陣列的優(yōu)化問題(逆問題)。 因此，論文首先對(duì)應(yīng)用于超寬帶TEM喇叭天線分析的數(shù)值方法——時(shí)域有限差分方法的特點(diǎn)和算法基本設(shè)置進(jìn)行了簡單介紹；對(duì)天線輻射問題的相關(guān)設(shè)置以及應(yīng)用于超寬帶TEM喇叭天線饋電的一維傳輸線饋電模型進(jìn)行了描述；詳細(xì)論述了獲取天線遠(yuǎn)場信息的近-遠(yuǎn)場外推算法，對(duì)天線輻射問題應(yīng)用改進(jìn)的快速近-遠(yuǎn)場轉(zhuǎn)換算法，對(duì)等效面近

4、場數(shù)據(jù)在時(shí)域或空域上進(jìn)行抽樣，以盡量少的近場數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)不失真的遠(yuǎn)場轉(zhuǎn)換，節(jié)約了計(jì)算時(shí)間，并給出了計(jì)算實(shí)例。 論文接著介紹了描述超寬帶天線時(shí)域特性的參數(shù)定義以及天線建模方法，并對(duì)其正確性進(jìn)行了驗(yàn)證；詳細(xì)論述了超寬帶TEM喇叭天線的輻射特性。分析了各天線幾何參數(shù)和激勵(lì)源脈寬變化對(duì)其輻射特性的影響，介紹了超寬帶天線陣列疊加原理，對(duì)疊狀、槽狀、面陣均勻排列和非均勻排列方式的陣列輻射特性進(jìn)行分析，仿真分析了陣元間互耦影響和陣列波束電掃描特

5、性；此外，還對(duì)超寬帶TEM喇叭天線的變形結(jié)構(gòu)——介質(zhì)加載TEM喇叭天線和加脊TEM喇叭天線進(jìn)行仿真模擬，并分析了天線的基本特性。 隨后重點(diǎn)論述了實(shí)現(xiàn)超寬帶TEM喇叭天線優(yōu)化設(shè)計(jì)所涉及的優(yōu)化算法。介紹了單目標(biāo)優(yōu)化問題和多目標(biāo)優(yōu)化問題的不同處理方式，簡述了傳統(tǒng)優(yōu)化算法的優(yōu)缺點(diǎn)，隨機(jī)優(yōu)化方法特點(diǎn)和算法性能評(píng)估的相關(guān)準(zhǔn)則；介紹了微遺傳算法的實(shí)現(xiàn)過程，并對(duì)其交叉和變異操作等進(jìn)行改進(jìn)，提出了改進(jìn)微遺傳算法(I-MGA)；針對(duì)超寬帶天線多目標(biāo)

6、優(yōu)化問題，基于Pareto最優(yōu)解的概念，設(shè)計(jì)了基于自適應(yīng)權(quán)重聚合和基于Pareto選擇機(jī)制這兩種不同形式的改進(jìn)多目標(biāo)微遺傳算法；針對(duì)單目標(biāo)和多目標(biāo)優(yōu)化問題的測試函數(shù)分別進(jìn)行了性能測試，并與其它多種常用優(yōu)化算法進(jìn)行了比較。 其后將微遺傳算法及其改進(jìn)算法與時(shí)域有限差分技術(shù)結(jié)合起來應(yīng)用于超寬帶天線陣列的優(yōu)化問題。以天線陣列的增益、主瓣波束寬度、副瓣電平等作為優(yōu)化目標(biāo)，把難以求解的多階方程組轉(zhuǎn)化為適應(yīng)度的約束條件，通過微遺傳算法及其改進(jìn)

7、算法結(jié)合FDTD優(yōu)化其電氣、幾何設(shè)計(jì)參數(shù)等，解決超寬帶TEM喇叭天線陣的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。論文論述了單天線優(yōu)化及陣列優(yōu)化的情況；對(duì)于多目標(biāo)優(yōu)化問題，分別以多目標(biāo)加權(quán)法和基于Pareto的方法進(jìn)行優(yōu)化；為進(jìn)一步提高超寬帶TEM喇叭天線陣列的優(yōu)化速度，提出了組合優(yōu)化方法以縮小優(yōu)化搜索范圍，在不考慮陣元互耦情況下對(duì)天線陣列進(jìn)行初次優(yōu)化以獲取先驗(yàn)知識(shí)，并根據(jù)初次優(yōu)化的結(jié)果，在考慮陣元互耦情況下進(jìn)行二次優(yōu)化，以獲取優(yōu)化結(jié)果。 最后，對(duì)論文工作