[发明专利]一种基于子阵阵因子增益最大化的不规则天线阵优化方法

说明书

本发明公开了一种基于子阵阵因子增益最大化的不规则天线阵子阵布阵优化方法。本发明把不规则天线阵方向图计算公式分解为子阵阵因子和子阵方向图的乘积，由于子阵阵因子对不规则天线阵辐射性能起决定性作用，因此首先建立最大化子阵阵因子增益，同时满足天线阵面被精确完整划分的整数优化问题，利用整数优化求解器求出最佳的不规则天线阵阵列拓扑结构；然后，根据优化的阵列拓扑结构，建立以波束宽度和峰值副瓣电平为约束条件、以最大化不规则天线阵增益为目标函数、以子阵级幅相激励为优化变量的凸优化问题，并使用凸优化算法进行求高效解，避免直接求解复杂的混合整数优化问题。

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及到有源通道个数有限的相控阵天线中阵面最优化分问题。具体是指建立以天线阵增益为目标函数，以波束扫描角度、峰值副瓣电平为约束条件、以子阵排布方式及子阵级幅相激励为约束条件的优化问题，保证获得的基于不规则子阵排布的天线阵能够满足给定的约束条件，同时实现增益最大化。

背景技术

相控阵天线凭借灵活快捷的波束赋形和波束扫描能力，广泛应用于各种雷达和通信系统领域。随着无线技术的迅猛发展，系统对天线阵提出了越来越严苛的技术指标要求，促使天线阵朝着大型化、数字化方向发展。通常，有源相控阵天线需要在每个单元后端配备一个TR组件，而TR组件造价通常占据一副有源相控阵天线近一半的设计成本。因此，大型有源相控阵天线的成本缩减问题的解决迫在眉睫。采用不规则子阵排布的相控阵天线，一个子阵内所有单元共用一个有源通道，能够大幅减少相控阵天线的设计成本，研究不规则子阵排布的天线阵(以下简称不规则天线阵)具有重要的研究意义和研究价值。

不合适的子阵划分带来的最大问题是出现大量的栅瓣或者量化瓣，尤其是对于波束扫描情形，栅瓣和主瓣几乎具有相同的特点，难以通过幅相激励进行抑制。因此需要采用不规则的子阵划分方式，打乱子阵相位中心分布的周期性，抑制栅瓣或量化瓣在可见空间中的出现。从数学上说，不规则天线阵子阵划分联合方向图综合优化问题属于混合整数二次非凸优化问题，很难在多项式时间内求出原问题的全局最优解，特别是对于大规模不规则天线阵优化问题更是如此。因此如何在保证解的全局最优性的同时，合理简化综合优化问题，提出新的高效的求解方法仍然是一个十分具有挑战性的技术难题。

为了解决基于不规则子阵排布的天线阵综合问题，在过去的几十年里，研究者们建立了多种综合优化模型并提出了相应的优化方法。美国的R.J.Mailloux教授通过引入信息论中的熵来定量描述不规则天线阵子阵相位中心的非周期性，建立了以最大化熵为目标函数的整数优化问题，由于优化过程中不需要进行方向图计算，该方法优化效率较高。但是，该方法并未考虑对增益的约束或最大化，得到的不规则阵增益极可能不是最佳，且对于优化的结果缺乏从物理层面的认识和理解。在给定天线阵面大小的条件下，Andrea Massa教授从数学上定量描述了由二联骨牌形式构成的子阵进行阵面精确填充时的所有可能总数，明确了不规则划分问题随阵列规模增大而面临的求解难题，同时在尽可能遍历所有子阵可能排布方式的思想下，利用所谓的高度函数结合整数编码的遗传算法建立了不规则天线阵简化的优化问题，并得出了满意的子阵划分方式和方向图优化结果。但是，该方法使用了进化类算法，其求解效率不高，而且优化过程中仍然没有考虑对增益的直接优化，相比于同口径满阵，其口径效率较低，特别是扫描情形。在国内，专利号为CN 107230843 A的专利中公开了一种基于二联骨牌子阵结构不规则天线阵，单元间距0.7个波长，由于单元排布方式随机生成，并未进行任何优化，其得到的方向图性能较差，没有充分挖掘不规则天线阵具有的性能优势，工程应用性较差。专利号CN 111209670 A中公开了一种实现高增益不规则子阵的排布优化方法，该方法把不规则阵方向图化简为子阵阵因子和子阵方向图的乘积，在R.J.Mailloux教授优化不规则天线阵熵的框架下，通过最大化子阵方向图在波束扫描方向上的场强值，间接的最大化增益，得到了较好的优化结果。但是该方法并未充分利用子阵阵因子对增益的贡献，而子阵阵因子对不不规则阵性能起决定性作用，特别是对于小数目子阵或大单元间距情形。因此，该方法对于二联骨牌等子阵数目较小的子阵或单元间距较大的不规则天线阵优化结果不尽满意。

发明内容