本發(fā)明基于一種目前應用廣泛的串饋微帶天線結(jié)構(gòu)，利用差分進化算法(DifferentialEvolutionAlgorithm，DEA)優(yōu)化陣元的間距和寬度，屬于天線
技術(shù)領域：
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背景技術(shù)：
：天線是無線移動通信系統(tǒng)和雷達系統(tǒng)的重要組成部分。無線通信和雷達的快速發(fā)展，對體積小、成本低、高增益以及易集成的天線產(chǎn)生迫切需求。微帶天線具有易共形、易集成、易獲得各種極化和多頻段工作等優(yōu)點。而串饋結(jié)構(gòu)的天線陣相比并饋天線陣，結(jié)構(gòu)更緊湊，體積更小。副瓣電平是天線的一個十分重要的參數(shù)?，F(xiàn)有的串饋微帶天線陣，一般利用切比雪夫分布、泰勒分布等經(jīng)典分布算法，利用陣元振幅的錐削分布，調(diào)整陣元的寬度，實現(xiàn)對副瓣電平的抑制。但由于理論上副瓣電平和波束寬度的相互制約關系，很難實現(xiàn)在滿足窄波束的情況下同時獲得較低副瓣電平，尤其是在有限的陣元個數(shù)的情況下。而在許多特定的通信、雷達系統(tǒng)中，需要在不犧牲波束寬度指標的條件下實現(xiàn)很低的副瓣電平。技術(shù)實現(xiàn)要素：發(fā)明目的：為了使串饋微帶天線實現(xiàn)更低的副瓣電平，除陣元振幅可調(diào)外，加入陣元間距作為一組新的可調(diào)參數(shù)，從而實現(xiàn)比等間距串饋微帶天線性能更優(yōu)的非均勻陣元間距串饋微帶天線。本發(fā)明采用DEA優(yōu)化算法，提供一種以理論優(yōu)化為基礎的非均勻陣元間距串饋微帶天線。本發(fā)明的天線可以實現(xiàn)更低的副瓣電平，而且天線的輻射特性相比現(xiàn)有的等間距串饋微帶天線沒有惡化。技術(shù)方案：本發(fā)明提供的基于非均勻陣元間距的低副瓣電平串饋微帶天線，具有間隔布置的矩形微帶天線陣元，陣元振幅作為一組優(yōu)化變量，陣元間距作為第二組優(yōu)化變量，建立方向圖函數(shù)，利用差分進化算法，得到陣元間距和振幅的最優(yōu)值，在要求的波束寬度范圍內(nèi)，尋找滿足工程約束條件的最優(yōu)副瓣電平解。具體地，所述差分進化算法從單個矩形微帶天線的輻射函數(shù)出發(fā)，簡化和變形理論輻射方向圖函數(shù)，得到適用于任意多個陣元線陣的輻射方向圖函數(shù)。輻射方向圖函數(shù)中，相比等間距串饋微帶天線線陣，所以陣元間間距可調(diào)，增加了可優(yōu)化的范圍，同時考慮了矩形微帶天線的尺寸、可實現(xiàn)的陣元間距等在描述需要優(yōu)化的函數(shù)中，同時體現(xiàn)了副瓣電平信息和波束寬度信息，在優(yōu)化求解的過程中兼顧副瓣電平和3dB波束寬度，先確定要求的波束寬度作為約束條件，在滿足波束寬度的解中尋找最優(yōu)解。在DEA算法優(yōu)化的過程中，考慮了在工程上可實現(xiàn)的陣元間距、振幅大小，將可實現(xiàn)的陣元間距和振幅大小作為約束條件，加入算法優(yōu)化。具體地，單個陣元寬度和長度由近似公式計算得出，并進行仿真優(yōu)化；陣列中，錐削分布的陣元的長度由差分進化算法給出的幅值分布決定。設計陣元間距不相等的串饋微帶天線陣，根據(jù)不同的間距情況合理選擇介電常數(shù)或連接陣元的微帶線長度及彎折次數(shù)，通過電磁仿真軟件有優(yōu)化使得天線性能達到最優(yōu)。發(fā)明原理：本發(fā)明通過DEA優(yōu)化算法，尋找在要求的波束寬度范圍內(nèi)，滿足工程約束條件的最優(yōu)副瓣電平解。天線陣中陣元間距不相等，最終的天線模型以串饋的形式實現(xiàn)，主要包括同軸探針饋電端口、矩形微帶天線陣元以及連接陣元的微帶線。通過調(diào)整微帶線的長度，使得每個陣元的相位相同；針對不同的陣元間距，采用不同的微帶線的走線方式。DEA優(yōu)化算法包括主函數(shù)、主函數(shù)調(diào)用的多個子函數(shù)和需要優(yōu)化的方向圖函數(shù)，在主函數(shù)和需要優(yōu)化的方向圖函數(shù)中，考慮陣元寬度、陣元距離、相對振幅大小等約束條件。主函數(shù)調(diào)用的多個子函數(shù)可直接從相關的MATLAB工具箱獲得。算法給出的解在實際串饋微帶天線設計中可行可靠。天線模型包括同軸探針饋電端口、矩形微帶天線陣元、連接陣元的微帶線以及天線末端的接地過孔等。天線陣元的尺寸與工作頻率和振幅分布有關。單個陣元寬度和長度可由近似公式計算得出并進行仿真優(yōu)化獲得；陣列中，錐削分布的陣元的長度由DEA給出的幅值分布決定。微帶線的長度與工作頻率和陣元間距有關，通過調(diào)整微帶線長度實現(xiàn)陣元間360°或720°的相位差，保證所有陣元在工作頻率下相位一致。有益效果：與現(xiàn)有等間距串饋微帶天線相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：1)能夠?qū)崿F(xiàn)更低的副瓣電平和更窄的波束寬度。由于加入了間距作為一組新的優(yōu)化參數(shù)，相比僅以振幅為變量的均勻串饋微帶天線，可優(yōu)化的范圍增加，天線副瓣電平性能更好。2)陣元間距靈活，不受板材介電常數(shù)限制。現(xiàn)有的串饋微帶天線陣元間距一般為一個介質(zhì)波長左右。本發(fā)明采用非直線的走線方式，在一定范圍內(nèi)陣元間距不受限制。3)在實現(xiàn)有益效果1)的情況下，天線其他輻射性能依舊能夠保持。4)DEA主函數(shù)適用范圍廣，可優(yōu)化不同陣元個數(shù)、不同波束寬度要求的天線。理論優(yōu)化考慮工程約束條件，可實現(xiàn)性強。附圖說明圖1為本發(fā)明中DEA算法流程圖；圖2為本發(fā)明中DEA算法模型圖；圖3為十陣元等幅等間距串饋微帶天線模型圖；圖4為本發(fā)明的十陣元等幅非均勻陣元間距串饋微帶天線模型圖；圖5為十陣元不等幅等間距串饋微帶天線模型圖；圖6為本發(fā)明的十陣元不等幅非均勻陣元間距串饋微帶天線模型圖；圖7為本發(fā)明天線的側(cè)視圖；圖8為本發(fā)明的副瓣電平隨頻率變化的示意圖；圖9為本發(fā)明的增益隨頻率變化的示意圖；圖10為本發(fā)明的回波損耗隨頻率變化的示意圖；圖11為本發(fā)明的十陣元等幅非均勻陣元間距串饋微帶天線和十陣元等幅等間距串饋微帶天線，在9.0GHz處的E面仿真方向圖；圖12為本發(fā)明的十陣元等幅非均勻陣元間距串饋微帶天線和十陣元等幅等間距串饋微帶天線，在9.0GHz處的H面仿真方向圖；圖13為本發(fā)明的十陣元不等幅非均勻陣元間距串饋微帶天線和十陣元不等幅等間距串饋微帶天線，在9.0GHz處的E面仿真方向圖；圖14為本發(fā)明的十陣元不等幅非均勻陣元間距串饋微帶天線和十陣元不等幅等間距串饋微帶天線，在9.0GHz處的H面仿真方向圖；具體實施方式下面結(jié)合具體實施例，進一步闡明本發(fā)明，應理解這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。此非均勻陣元間距的串饋微帶天線的設計分為兩部分，DEA算法優(yōu)化和天線模型設計。天線最終采用印刷電路板(PrintedCircuitBoard，PCB)工藝加工。模型包括：(1)矩形微帶天線；(2)連接陣元的微帶線；(3)饋電點；(4)SMA接頭定位孔；(5)接地金屬過孔；(6)金屬地；(7)介質(zhì)。如圖2所示的單個矩形貼片遠場的E面方向圖函數(shù)(相對坐標系uov)遵循以下公式：其中，β是相位常數(shù)，W是矩形微帶天線的長度，L是矩形微帶天線的寬度，h是介質(zhì)基板的厚度，εr是介質(zhì)的介電常數(shù)，Le和εre分別是等效寬度和等效介電常數(shù)，而是與Z軸的夾角。在絕大多數(shù)工程情況下，(式1)可以簡化為由于實際的矩形微帶天線并非點源，本發(fā)明的輻射方向圖從單個微帶天線的輻射方向圖出發(fā)，在理論計算時假設所有陣元的長寬相同(對一般的h值，對L的變化相對敏感，而對W變化相對不敏感)，得到近似線陣的E面方向圖函數(shù)：(式5)中參數(shù)的含義分別為，2N陣元個數(shù)，Ei振幅，di如圖(1)所示的間距。奇數(shù)個陣元的情況完全類似。(式5)可用MATLAB語言描述，可從中提取副瓣電平和波束寬度等信息，在需要優(yōu)化的方向圖函數(shù)中，加入波束寬度的約束條件，淘汰不滿足波束寬度要求的解；在主函數(shù)中，加入陣元間距的約束條件，確保算法給出的解在工程實踐上可行、易于設計。在主函數(shù)中，本發(fā)明加入了陣元間距和振幅約束條件，相鄰陣元的間距為[0.50λ0，λ0](λ0是空氣波長)，因為太小的陣元間距在實際的串饋微帶天線中不容易實現(xiàn)且需要考慮陣元間互耦效應，太大的陣元間距對串饋微帶陣列的電路特效和輻射特性都有不利影響。且本發(fā)明已經(jīng)做過嘗試，對有限個陣元個數(shù)的情況，最優(yōu)解一般不會出現(xiàn)在[λ0，+∞]的范圍內(nèi)；將中間陣元的振幅歸一化到1，其它陣元振幅的取值范圍為[0.15，1.10]，保證工程上的可實現(xiàn)性。需要優(yōu)化的函數(shù)：y＝αA+B。其中A是某一組解下的3dB波束寬度，y＝αA+B是該組解對應的副瓣電平，而α是隨著A變化的函數(shù)，A0是要求的3dB波束寬度。通過DEA，找到一組滿足約束條件的最優(yōu)解，在該解下的y最小。整個算法可用圖1的流程圖描述。以DEA算法優(yōu)化出的解為初值，采用電磁仿真軟件對天線尺寸進行優(yōu)化。注意仿真時應結(jié)合陣元間距的大小，合理選擇不同介電常數(shù)的板材和不同長度的微帶線。設計依據(jù)包括但不限于以下三點：(1)合理選擇板材(介電常數(shù))以減少走線的彎折程度，優(yōu)先考慮相鄰陣元間360°相位差的走線方式；(2)若板材(介電常數(shù))受工程要求限制不可選擇，應在微帶線的彎折次數(shù)和走線偏離(距離x軸的距離)之間做出合適的權(quán)衡。彎折次數(shù)多，會帶來設計復雜度和損耗；走線偏離x軸，對方向圖尤其是副瓣電平有一定影響。(3)若發(fā)現(xiàn)某個解在電磁仿真中很難實現(xiàn)，應檢查算法中的約束條件是否合適并嘗試改變約束條件，尋找其它解。此外，建議在電磁仿真中先采用每個陣元分別加端口同時饋電的方式，確保算法給出的解的正確性后再進行串饋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。在滿足副瓣電平、波束寬度等約束條件的基礎上，天線設計應盡量使用簡單易行的理論解和微帶走線方式，并合理選擇易于設計的介電常數(shù)(注意：介電常數(shù)會影響到矩形微帶天線的長寬，從而對影響輻射方向圖有一定影響，若在得到DEA理論解后修改介電常數(shù)，建議理論上重新計算一次)。如圖4和圖6所示，給出以十陣元的非均勻陣元間距串饋微帶天線陣的設計，并給出與之相對應的、如圖3和圖5所示的等間距串饋微帶天線陣模型作為的對比。說明書給出的兩個例子假設介質(zhì)材料為RogersRO4350(介電常數(shù)3.66)，工作中心頻率為9.00GHz。優(yōu)化后得到天線尺寸參數(shù)如表1至表4所示。各參數(shù)代表的意義在模型上標出，lmn和wmn表示矩形微帶天線單元的長度和寬度，dmn表示陣元間距或陣元到原點的距離，gmn表示末端陣元中心到接地過孔的距離，0≤m≤3，0≤n≤3。表1圖3中模型對應的參數(shù)值參數(shù)數(shù)值(mm)參數(shù)數(shù)值(mm)參數(shù)數(shù)值(mm)w2110.70l218.35d218.80w2210.70l228.35d2217.60w2310.70l238.45d2317.60w2410.70l248.45d2417.60w2510.70l258.45d2517.70g2010.73表2圖4中模型對應的參數(shù)值參數(shù)數(shù)值(mm)參數(shù)數(shù)值(mm)參數(shù)數(shù)值(mm)w1110.80l118.30d119.00w1210.80l128.30d1218.00w1310.80l138.65d1321.08w1410.80l148.50d1423.51w1510.80l158.50d1527.43g1011.25表3圖5中模型對應的參數(shù)值參數(shù)數(shù)值(mm)參數(shù)數(shù)值(mm)參數(shù)數(shù)值(mm)w0111.7l018.35d019.00w028.30l028.35d0217.8w037.40l038.50d0317.8w046.60l048.50d0417.8w058.10l058.50d0517.8g0011.25表4圖6中模型對應的參數(shù)值參數(shù)數(shù)值(mm)參數(shù)數(shù)值(mm)參數(shù)數(shù)值(mm)w3112.39l318.30d3111.49w3212.27l328.40d3224.30w3310.28l338.40d3326.24w346.80l348.50d3427.40w354.40l358.50w3528.68g3011.45當前第1頁1 2 3