[发明专利]一种用于不规则子阵排列的四维天线阵联合优化方法

说明书

本发明公开了一种不规则子阵排列的四维天线阵联合优化算法，将信息熵的定义引入到四维阵中，把原本复杂的优化问题划分为两个子问题，然后分成两步进行优化，第一步采用基于信息熵的遗传算法，根据子阵排布算法优化出信息熵值最大的阵列拓扑结构，第二步，根据低边带和低副瓣的要求，利用差分进化算法优化子阵的每个子阵的静态激励相位，开关闭合持续时间，开关闭合起始时刻等信息，从而使得整个优化问题能够更高效的求解。本发明的最大创新性在于挖掘了原优化问题的本质特性，联合基于信息熵的遗传算法和差分进化算法进行优化，降低了原优化问题的复杂度，在节省了一半T/R组件的同时，保证了大角度扫描下的低副瓣低边带特性。

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及到基于不规则子阵的四维天线阵综合，具体来说是利用一种联合优化方法高效地综合四维天线阵。此联合算法主要采用了信息熵的原理，将四维天线阵综合分为两个步骤，先利用遗传算法优化出不规则阵列的拓扑结构，再按需综合出目标方向图。

背景技术

相控阵天线因能够实现通过改变相位以达到波束扫描的目的，在雷达和通信领域中得到了广泛的应用，但同时由于每个单元都需要连接一个移相器和T/R组件，大大增加了天线制造成本，同时常规相控阵的幅度相位加权手段很难满足天线阵低副瓣的需求，限制了天线的应用范围。

提出于二十世纪六十年代兴起于二十一世纪初的四维天线阵的概念，通过引入时间作为新的一维自由度来设计天线，利用时间加权等效的实现幅度和相位的加权，既能控制和改善天线阵的辐射特性，又能在均匀的静态激励幅度之下设计窄波束、低副瓣和各种赋形波束，这必将大大的简化对馈电网络的要求，因此把四维天线的思想引入传统天线阵中将十分有利于对天线阵馈电网络的设计，同时对天线结构加工精度，馈电网络的馈电精度和容差的需求大大减小，具有极大的设计灵活性。

上世纪六七十年代，国外开始研究稀疏阵列天线，通过优化算法，可以使用较少的阵元数目通过不同的排列方式，实现较窄的波束及方向图扫描。但采用优化算法计算的阵列，一般阵元位置很不规则，阵元的加工和排列是非常棘手的问题。虽然周期性的大单元间距的阵列可以解决上述排列和加工的问题，但是由于单元的间距增大，引起阵列的副瓣电平升高，甚至出现栅瓣，限制阵列只能扫描很小的角度。

从天线阵的基本原理来考虑，阵列排布的周期性是导致产生方向图栅瓣的主要原因，因此如何打破阵列的周期性就成为抑制栅瓣的主要思路，R.J.Mailloux，Andrea Massa等人提出了采用不规则子阵的方法来打破阵列的周期性,但由于优化问题过于复杂，他们的方案只能实现一维扫描，在工程上适用性较差。专利号为CN 107230843 A的专利中采用了类似的方案，实现了二维扫描，但是扫描性能不强，两个单元组成的子阵在20×20的阵面下以0.7个波长间距布阵，只能实现±20°的二维扫描，该方案还没有完全发挥不规则子阵的扫描优势，在工程上适用性较差。

发明内容

鉴于上述技术背景，本发明提出了一种不规则子阵排列的四维天线阵联合优化算法，目的在于相比于已经存在的优化技术，本发明的提出的方法能够更加快速、更加有效的综合大型不规则四维阵。

本发明所提出的联合方法主要针对脉冲相移时序的不规则四维阵，根据此时序下不规则四维阵的特点，整个联合优化过程可分为两步。第一步，根据信息熵的原理，利用遗传算法优化出不规则阵列的拓扑结构；第二步，在第一步的基础上，根据已知的拓扑结构，利用差分进化算法优化每个子阵的静态激励幅度，静态激励相位，开关闭合持续时间，开关闭合起始时刻来抑制副瓣电平和边带电平。

本发明具有以下内容：

为了定义不规则子阵排布的混乱程度，我们引入信息熵的概念。假设X为一个随机变量，n表示共有n个可能的输出，P(X)表示输出概率函数。因此X的信息熵为：

H(X)＝E[-log_b(P(X))] (1)

如果将b设为2，可以将(1)式改写成