[发明专利]一种考虑互耦效应的随机阵列天线方向图综合方法

说明书

本发明公开了一种考虑互耦效应的随机阵列天线方向图综合方法，属于天线阵列方向图综合技术领域。本方法包括天线阵列建模步骤、天线阵列方向图生成步骤以及最优幅相加权获取步骤。本发明考虑了阵列天线单元间的互耦效应及阵列天线的极化特性，结合有源单元方向图，构建精确的天线阵列模型，针对目标阵列方向图使用混合粒子群算法进行天线阵列方向图快速优化，最终实现波束展宽、低副瓣和相控阵扫描等波束赋形。

技术领域

本发明属于天线阵列方向图综合技术领域，特别涉及一种考虑互耦效应的随机阵列天线方向图综合方法。

技术背景

阵列天线由于可以根据不同的应用场景进行波束赋形来提升系统性能，在雷达、通信、导航定位等领域得到广泛应用。为了获得满足特定要求的方向图，许多阵列综合算法被用来求解阵列天线辐射单元的激励幅度和相位值，主要包括解析方法、数值方法及随机优化算法等。相比较传统的阵列综合算法，随机优化算法具有全局搜索，动态调节目标函数、可以多目标同时优化的优势。粒子群算法作为一种高效的、并行的全局优化方法，是常用的随机阵列天线方向图综合方法。

一方面，传统的基于粒子群算法的随机阵列天线方向图综合方法是基于阵因子相乘原理，假设各单元方向图相同，而实际的相控阵天线由于阵元间互耦效应明显，各单元的方向图并不相同，因此会导致阵列天线方向图综合仿真结果与实际结果相差很大。为了使阵列综合仿真结果与实际效果更加吻合，采用有源单元方向图等效法，仅第n个天线单元馈电，其余所有单元接匹配负载，可以将天线阵元间的互耦考虑在内。但是一般基于有源单元方向图的阵列综合方法未考虑天线极化特性。而在通信、雷达、电子战等领域，圆极化天线由于能够接收任意线极化和相同旋向的圆极化电磁波，且可以消除电离层法拉第旋转效应引起的极化畸变损失，被广泛应用。所以在阵列综合中如何在考虑阵列天线单元间的互耦效应的基础上，将极化特性也考虑在内显得尤为关键。另一方面，传统的粒子群算法虽然易快速收敛，但是也易陷入局部收敛，而无法实现全局最优值的搜索。

所以，将粒子群算法应用到阵列天线方向图综合时，需要解决以下问题：

(1)需要考虑天线阵元间的耦合效应，并考虑天线的极化特性以保证不论是线极化或是圆极化阵列天线方向图综合结果与实际效果基本吻合。

(2)传统粒子群算法易局部收敛。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术问题的不足，提供一种考虑互耦效应的随机阵列天线方向图综合方法。本发明考虑了阵列天线单元间的互耦效应及阵列天线的极化特性，结合两个垂直极化方向上的有源单元方向图，构建精确的天线阵列模型，针对目标阵列方向图使用混合粒子群算法进行天线阵列方向图快速优化，最终实现波束展宽、低副瓣和相控阵扫描等波束赋形。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种考虑互耦效应的随机阵列天线方向图综合方法，包括以下步骤：

(1)根据系统应用指标确定矩形天线阵列的阵元数目、阵元间距及单元天线材料，利用全波电磁仿真软件，建立M×N的二维矩形阵列天线模型，进行全波电磁仿真并导出全部天线单元的有源单元方向图；

(2)根据阵列方向图的指标要求，确定混合粒子群算法的优化目标函数；

(3)随机生成NP个粒子作为初始种群；种群的位置表示天线阵列幅相加权值分布，粒子速度值表示天线阵列幅相加权值的变化方向和大小；

(4)基于天线的有源单元方向图和混合粒子群算法产生的幅相加权值，生成天线阵列的远场方向图；根据步骤(2)的优化目标函数计算粒子相对应的适应度，并确定个体适应度的极值P_i^k和群体适应度的极值

(5)在每次迭代过程中，粒子通过个体极值P_i^k和群体极值更新自身的速度和位置，即