[发明专利]一种可实现高增益的不规则子阵排布优化方法

说明书

本发明公开了一种基于不规则子阵的相控阵排布优化方法，提出了一种混合整数线性规划模型，同时考虑阵列扫描时的增益和副瓣水平，通过商业求解器进行求解以实现不规则阵列扫描时的高增益及低副瓣特性，优化出阵列排布以后，利用凸优化算法以增益最大为原则综合出所需的方向图。

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及到不规则子阵排列的优化方法，提出了一种混合整数规划模型，同时考虑阵列扫描时的增益和副瓣水平，最终实现不规则阵列扫描时的高增益及低副瓣特性。

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。稀疏阵列天线，通过对天线单元的稀疏排布，降低栅瓣实现方向图扫描，但稀疏阵存在加工，单元间耦合等诸多问题，不适用于工程实现。

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。专利号为CN108808266A的专利中同样采用了基于最大熵原则的优化方案，但是应用到四联网格(即四个单元组成的子阵)时会出现二维扫描各个面扫描能力不一致的情况，同时扫描角较小。最重要的是以上这些文献都没有特殊优化扫描时的增益水平，虽然不规则子阵在侧射时能够实现高增益辐射，但是随着扫描角的不断增大，由于波程差的影响，增益下降的较为剧烈，尤其是对于稀疏率较高的四联网格来说，采用专利号为CN108808266A的方案在扫描到30度时其阵列增益就与同规模的Taylor阵有4.6dB的差距，随着扫描角逐渐增大，增益损失也会进一步增大。

发明内容

鉴于上述技术背景，本发明提出了一种基于不规则子阵的相控阵排布优化方法，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用更少的TR组件数的同时在阵列扫描时保持较低的增益损失。

本发明具有以下内容：

专利号为CN108808266A已经提到可以采用通过优化阵列信息熵来实现降低不规则子阵扫描时的栅瓣，但是没有考虑到增益损失的问题。对于不规则子阵扫描时的增益损失，主要是来源于子阵内单元与子阵相位中心不一致而造成的波程差。波程差的存在会导致子阵内的单元辐射方向偏离预定的角度，使得扫描角度的辐射场绝对值低于满阵的辐射场，最终出现增益损失。不同的子阵形式引起的增益损失也不同。因此优化目标主要为保持阵列信息熵较高的同时，实现目标扫描角度的辐射场极大。

因此本专利提出一种混合整数规划模型，保持阵列信息熵与信息熵的极限值的差在较小的一个范围，优化目标扫描角度的辐射场，使得辐射场最大化。

考虑由一个M×N的不规则阵列，考虑不规则子阵由四个阵列单元组成子阵，每个子阵采用同一的馈电幅度及相位(如图1所示)，四联网格共有5种类型(如图2所示)，但经过翻转，旋转等操作共可以得到19类，子阵的相位中心为其重心，天线阵由多个子阵排列组成。假设阵列单元为一个正方形网格，阵元的间距均为d，那么提出的用于不规则阵列优化排布的混合整数规划模型为