基于水循环算法的阵列天线方向图综合

摘要

在雷达、通信等信息通信领域，通常需要综合特殊形状的波束(平顶方向图、余割平方方向图、低副瓣方向图等)。阵列天线综合通过调整激励等参数综合需要的波束，它是一个非常复杂的非线性优化问题。与传统综合方法相比，智能优化算法如粒子群算法、遗传算法、野草入侵算法等因其解决复杂优化问题的高效性，被广泛应用于天线领域。本文研究一种新颖的水循环算法，并将其应用于阵列天线方向图综合。 水循环算法是模仿自然界中水循环过程提出的一种新颖智能优化算法。在水循环算法中运用间接寻向最优解的方法，即河流作为除了最优解(大海)以外的引导个体引导群体中的其他个体(溪流)流向最好的位置，减少在不恰当区域的搜索；其蒸发和降雨过程有效地防止算法陷入局部最优解。水循环算法过程简单、易于理解、参数更少容易调节并且有较强的搜索能力，受到国内外学者的广泛关注。但目前水循环算法在天线领域应用较少，本文对水循环算法在阵列天线的方向图综合中的应用进行了研究。 本文首先介绍了直线阵和平面阵的天线阵理论以及传统天线阵方向图综合的方法，并用传统的综合方法综合切比雪夫型方向图、平顶方向图、余割平方方向图，为后面方向图综合打下理论基础。然后简要介绍了粒子群算法，详细介绍了水循环算法的原理、过程、步骤，并选择4个标准检验函数对这两种算法进行检验。从收敛速度、收敛精度和计算时间三方面对这两种算法进行比较，得出水循环算法搜索能力强，计算时间短的特点。接着在天线阵理论分析和算法分析的基础上，将水循环算法应用到阵列天线方向图综合中，通过7个切比雪夫型方向图综合仿真实验，水循环算法每次都能找到最优解，验证了水循环算法适用于阵列天线方向图综合。并与粒子群算法的优化结果、收敛曲线、计算时间对比，得到水循环算法在复杂问题的优化上更加高效。接着优化直线阵的激励幅度和相位，设计了平顶方向图和余割平方方向图线阵，用偶极子排阵，将优化结果代入HFSS仿真。最后从矩形栅格和三角形栅格平面阵的水平面和俯仰面进行分析，利用水循环算法对天线阵激励幅度和相位进行优化，在水平面赋形平顶方向图，在俯仰面赋形余割平方方向图，均得到理想的优化结果。

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