隨機旋轉組陣的同心圓環稀布陣圓極化相控陣天線設計方法與流程

本發明涉及相控陣天線設計方法，尤其涉及隨機旋轉組陣的同心圓環稀布陣圓極化相控陣天線設計方法。

背景技術：

1、由于星載通信相控陣天線的星載平臺本身空間寶貴、載荷緊張等特點，天線設計的陣列規模、重量、整機功耗以及制作成本都受到了較高的限制。追求用更少的天線單元實現所需的指標要求成為衛星天線設計的主流趨勢。當前，星載相控陣天線與地面設備的通訊方式多為頻分全雙工體制，即衛星平臺有接收和發射兩種相控陣列天線。不可避免的，發射陣列天線將對接收陣列天線存在干擾。

2、相控陣天線的布陣方式多采用規則布陣方式，該布陣方式存在以下幾種不足：

3、(1)規則布陣方式中陣元排列密集，陣元之間的互耦更高，對陣元的有源駐波產生不利影響，有時需要增加解耦結構，增大了設計難度和制造成本；

4、(2)在同等的增益需求下規則布陣需要的陣元數量更大，導致更高的成本和重量；

5、(3)多波束相控陣均采用類aob陣列架構，即功率放大器、低噪聲放大器和幅相多功能等射頻芯片均表貼于pcb板。若采用規則排布的設計方式，為避免出現柵瓣，應保證發射陣元間距dt＜(1-1/m)/(1+sinθ0)*λh＝7.35mm，接收陣元間距dr＜(1-1/n)/(1+sinθ0)*λh＝5mm。在此間距下，器件難以表貼集成且線路難以布局；

6、(4)規則布陣時，熱源分布更加密集的同時空間更加緊張，這使得散熱設計難度提高，不利于相控陣的散熱；

7、(5)規則布陣天線陣的陣面為分別加工的大量小型子陣拼接而成，在子陣之間的結合處會留下縫隙。當這種陣面結構應用在圓極化陣列天線時，可能會在工作頻段內的某些頻點發生縫隙寄生輻射。由于寄生輻射不受控制，且分走了本該正常電磁輻射的一部分能量，因此導致陣列增益降低、副瓣電平和軸比惡化；

8、為了改進圓極化陣列天線在大角度掃描與寬帶衛星通信應用中的圓極化性能，傳統布陣方式采用順序旋轉技術。通過對小子陣中的陣元按一定規律順序排布以便降低波束的軸比，由若干子陣組成的大型陣列天線的圓極化性能因此可以得到有效改善。然而當波束掃描時會有一個高電平副瓣出現在可見區，導致副瓣電平惡化，不滿足指標要求。

9、基于規則布陣的上述缺陷，稀疏布局方式將成為更好的選擇。然而現有稀疏陣布陣方案在解決上述不足的同時，本身也會導致新的問題：

10、(1)控制陣列單元排布的參數更數多且副瓣電平要求多，因此布陣設計為一多變量+多目標優化問題。多變量+多目標優化問題的解決本身具有很大的挑戰性；

11、(2)陣列的副瓣電平惡化，特別是掃描時有較高電平的副瓣從非可見區進入到可見區，致使副瓣電平不能滿足指標要求；

12、(3)常規陣列所使用的順序旋轉組陣方式將無法使用(且本身也存在前述的高副瓣問題)，如何降低波束軸比將成為一個新的問題；

13、(4)天線板的種類多，導致設計工作量加大且加工成本上升，此外，還給物料管理和產品裝配帶來不便。

技術實現思路

1、本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供隨機旋轉組陣的同心圓環稀布陣圓極化相控陣天線設計方法。

2、本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：

3、本發明的第一方面，提供隨機旋轉組陣的同心圓環稀布陣圓極化相控陣天線設計方法，包括以下步驟：

4、建立稀疏同心圓環陣優化模型并進行參數化；所述稀疏同心圓環陣優化模型包括四個旋轉對稱的子陣，每個子陣包括多個天線單元，所述參數化的參數包括1～n圈的半徑、1～n圈的天線單元個數、1～n圈的起始角度；

5、利用稀疏同心圓環陣優化模型的天線陣整體方向圖，以包括天線副瓣抑制、波束寬度、天線單元間距在內指標的要求為目標，通過非支配排序的多目標差分進化算法優化所述參數化的參數；

6、對四個旋轉對稱的子陣中的天線單元進行隨機旋轉，仿真確認天線陣方向圖符合預期；

7、獲取其中兩個子陣之間的分界，陣面圓心為起點用折線分割陣列，使折線經過分界兩側相鄰單元最接近邊之間的正中心，一直延伸到陣面外延結束，得到分割線；所述分割線繞圓心旋轉90°復制三次。

8、進一步地，所述建立稀疏同心圓環陣優化模型并進行參數化，包括：

9、依據增益需求，計算所需的口面大小與天線單元個數；

10、采用4的整數倍數量的天線單元個數，這些天線單元分別構成四個旋轉對稱的子陣；

11、選取90°扇區進行陣元位置分配，根據天線單元個數確定圈數，根據每圈弧長分配每圈單元數；

12、每圈上陣元在90°的圓弧上均勻排列，計算陣元之間相對陣面中心的角度差；

13、為每一圈陣元的起始陣元分配一個起始角度，所述起始角度大于0且不大于陣元間角度差；

14、將獲得的四分之一子陣繞陣、面中心旋轉對稱90°四次后就得到了完整的天線陣面，此時陣面上每個陣元的位置唯一確定；

15、天線陣分為nr圈，則共需3n個參數來約束該天線陣面中每個陣元的位置，分別為：1～n圈的半徑即r1,r2,…rn，1～n圈的天線單元個數即n1,n2,…nn,1～n圈的起始角度即完成同心圓環陣中陣元位置的參數化。

16、進一步地，所述稀疏同心圓環陣優化模型的天線陣整體方向圖，包括：

17、確定參數的波動范圍；

18、通過對天線單元的仿真獲得單元方向圖；

19、通過陣列中天線單元坐標與單元方向圖，計算合成的天線陣整體方向圖：

20、

21、其中，ef為陣元方向圖；nr同心圓環陣的圈數；nm為第n圈上的陣元數，且為4的整數倍以便將陣列分成4個旋轉對稱的區域；wn為第n圈陣元的矢量加權值；k為波數，且k＝2π/λ；rn為第n圈圓環的半徑；為s1空間中的采樣角，且為波束指向角；

22、beta(n,m)為第n圈上的第m個單元相對于x軸的旋轉角，每個單元之間的角度差相等，且有其中，c為一常數,為變量，c和決定了每一圈上單元的附加角度旋轉量；

23、對于陣面布局設計，不對幅度和相位進行加權以避免發射eirp或接收g/t的損失，因此對所有的wn＝1，故有

24、

25、進一步地，所述以包括天線副瓣抑制、波束寬度、天線單元間距在內的指標的要求為目標，包括：

26、先給定每一圈上的陣元數目，然后在滿足波束寬度和大于最小間距的情況下，對半徑rn和進行優化；由于指標中要求當波束掃描至不同角度時對副瓣電平的要求不同，因此該問題是一個多目標優化問題，且表述如下：

27、

28、

29、st.hpbws≥3.5°

30、δd≥δds＝9.5mm

31、其中，為波束指向角度時要求的最大副瓣電平，且干擾規避模式和非干擾規避模式的有所不同；為個體的方向圖計算得到的峰值副瓣電平；hpbws為要求的最小波束寬度；δd為相鄰陣元的間距；δds為要求的最小相鄰陣元間距。

32、進一步地，所述通過非支配排序的多目標差分進化算法優化所述參數化的參數，包括：

33、a.參數設置：種群數量、最大執行代數、交叉常數、變量數目；

34、b.根據以下表達式，隨機生成初始種群：

35、

36、c.在種群內隨機選擇不同的個體，重復執行de/rand/1變異操作

37、

38、并得到種群popm；縮放因子fi,j不是一個常數，對于每一個基因點位的變異，其均是[0,1]之間的一個隨機數；

39、d.對種群popm執行兩點交叉操作并得到種群popc；

40、e.評價種群popc中的實驗個體和目標個體xi的適應度值；

41、f.將種群popm和popc進行合并，并執行非支配排序；

42、g.計算擁擠度并進行降序排列；

43、h.選擇前ps個個體作為下一代種群，并重新進行非支配排序、擁擠度計算以及降序排列；

44、重復上述第c～h步驟，直到進化到要求的代數為止，然后保存結果。

45、進一步地，所述適應度值的計算，包括：

46、計算獲得參數對應的陣列點位與單元最小間距d0；

47、計算獲得陣列方向圖與主瓣半功率波束寬度w0；

48、方向圖歸一化，去除主瓣部分，按照副瓣要求篩選出所有不合格副瓣點超標值值pi及其總數量np；

49、適應度計算公式如下：

50、

51、dlim與wlim為最小單元間距及半功率波寬要求，a1、a2為大于1系數，b1為小于1大于0系數，視情況選取。

52、進一步地，所述非支配排序包括：

53、對種群中每個個體計算其支配個數ni，及被支配個數si；所述支配即為某個體a的所有指標均不弱于一個個體b且存在某個指標優于個體b，即為a支配b；指標包含波寬、單元最小間距與副瓣；

54、找出種群中所有ni為0的個體，存入集合f1，為所有個體賦予一個統一非支配序數ti；

55、將剩余個體中被集合f1中支配的個體s1減去1；

56、重復上述步驟，直到所有個體均被分別被分層值f1～fn。

57、進一步地，所述擁擠度計算包括：

58、按照每個個體所擁有的n個參數，將其置于n維空間中；

59、計算擁擠度算子ri，ri為某個體與其最近的個體之間的距離。

60、進一步地，所述降序排列包括：

61、所有個體均獲得非支配序數與擁擠度算子，當兩個個體非支配排序不同，取排序號較小的個體，若非支配排序相同，取更不擁擠即ri更大的個體，以此依次排序。

62、進一步地，所述對四個旋轉對稱的子陣中的天線單元進行隨機旋轉，仿真確認天線陣方向圖符合預期，包括：

63、獲得優化后的1/4子陣中陣元的坐標位置；

64、使用電磁仿真軟件將天線單元模型依次粘貼放置在各個點位上并編號；

65、生成長度與子陣中單元個數相等的隨機數數組，范圍為0°～360°；

66、依照編號在數組中對應的隨機角度，依次將天線單元沿單元中心軸旋轉；

67、再將1/4子陣繞陣列中軸線90°旋轉復制三次，獲得所有單元的模型；

68、補全單元模型間空隙，完善材料、邊界條件、饋源幅相的條件，對陣列進行仿真，確認以隨機角度旋轉后的天線陣方向圖是否符合預期。

69、本發明的有益效果是：

70、在本發明的一示例性實施例中，采用稀疏的同心圓環陣布陣方式，陣元之間的間距相比規則布陣方式的間距要更大，因此單元間互耦減小、端口有源駐波更低，且不需要額外的解耦結構；

71、采用的非支配排序的多目標差分進化算法，可以對多個優化目標參數同時進行優化，效率更高，可以滿足陣列計算領域中指標要求復雜的特性；

72、采用隨機旋轉組陣的方式，打破了結構的周期性，將周期性引入的高電平副瓣的能量均勻到其它副瓣上，避免能量集中引起的副瓣惡化；

73、采用一體化裝配陣列，不僅保證整個陣列需制作的版型只有一種，且使得子陣之間縫隙數量少，又因為子陣彼此緊密貼合，縫隙也很小，因此減弱了縫隙處不連續導致的寄生輻射，提高了天線陣列性能。