[发明专利]一种基于MATLAB和HFSS的波束控制和阵列方向图优化方法

说明书

本发明属于天线技术领域，公开了一种基于MATLAB和HFSS的波束控制和阵列方向图优化方法；编写了HFSS脚本来实现利用MATLAB快速建立阵列模型并给每个馈电单元赋值不同相位和幅度。在HFSS中得出单个天线单元的方向图，由于在MATLAB中考虑了天线单元的影响，使得仿真结果更加准确，通过引力搜索算法优化馈电单元的幅度和相位；最后将优化后的结果带入HFSS仿真，得到满足低副瓣且特定波束指向的方向图。本发明解决了HFSS中阵列天线建模和仿真速度慢的问题，避免了传统引力搜索算法容易陷于局部最优解的问题。

技术领域

本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种基于MATLAB和HFSS的波束控制和阵列方向图优化方法。

背景技术

HFSS建模是天线设计中非常重要的一步。对于简单规则的模型，设计师可以直接在HFSS里建模，但对于复杂甚至难以用方程表示的模型，则需要花费大量的时间或者做大量重复性的工作。除此之外，HFSS的计算分析是基于FEM有限元法，主要针对复杂结构进行求解，尤其适合于一些内部问题的求解比如阵列天线设计、电磁兼容等。但也是由于高准确性对自适应网格的剖分精度、误差的要求较高，需要充分考虑趋肤效应、介质损耗等因素，求解过程会耗费大量时间和资源，复杂的单个器件和阵列天线可能会花费几天时间才能得到优化结果。

针对建模耗时的问题，HFSS和第三方软件联合使用的方法已经被提出。前人已经编写了hfssapi的MATLAB工具箱来实现MATLAB和HFSS的结合使用来提高建模速度，例如建立基本图形和设置求解频率，但该工具箱不够完善远远不能满足需求，例如添加和优化变量参数、离散扫描方式等。

随着频谱资源的日益紧张，单一天线的宽辐射范围加重了信息传输过程中的相互干扰，波束控制是解决这一问题的有效途径之一，它利用阵列天线指向性的接收和发射实现了空间的选择性，降低了信息相互干扰的几率，提高了频率可重复利用率。然而天线阵列在HFSS中的求解和优化更需要大量的时间，因此研究人员提出了利用第三方软件例如MATLAB中利用智能优化算法来实现波束控制和优化。然而，常见的在MATLAB中的波束优化只通常考虑端射阵或边射阵的情况，利用智能优化算法来满足低副瓣或者零陷的要求，但是若在波束指向改变的情况下，由于没有考虑波束方向的改变对方向图的影响，该优化结果性能较差且与HFSS仿真结果相差较远。

常用的智能优化算法有遗传算法、粒子群算法和2009年才提出的引力搜索算法GSA等。引力搜索算法，是一种基于万有引力定律和牛顿第二定律的种群优化算法。该算法通过种群的粒子位置移动来寻找最优解，两个粒子之间的引力与两个粒子的质量成正比，与两粒子之间的距离成反比。虽然经典的引力搜索算法其寻优精度和收敛速度都要明显优于粒子群算法和遗传算法，但与其他启发式优化算法一样，没有能够及时利用网络的反馈信息，要得要较精确的解需要较多的训练时间，同时他也难以满足扩大搜索范围保证全局最优解和快速获得最优解保证收敛速度两个目标，因此存在收敛速度慢和过早收敛的缺点。

综上所述，现有技术存在的问题是：现有的HFSS建模和仿真速度慢、优化算法不稳定以及波束指向误差。

解决上述技术问题的难度：

针对HFSS建模仿真慢，可以采取HFSS-MATLAB-API来解决，但编写脚本的过程冗长易出错，即使很简单的步骤也需要成百行的脚本程序来完成；优化算法需要同时在尽可能短的时间内找到全局最优解，避免局部最优解。

解决上述技术问题的意义：

提高建模仿真优化的效率，减少人工建模的错误率；考虑了天线单元的影响和波束指向的改变，利用改进的引力搜索算法进一步优化方向图函数，使其更准确全面。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于MATLAB和HFSS的波束控制和阵列方向图优化方法。