超宽带天线设计及共形阵列综合研究

摘要

现代电磁理论在辐射及散射问题中的应用在很大程度上都得益于优化技术。然而电磁领域中优化目标函数往往是高度非线性、不可导且具有多极值，这些特点使得经典优化方法在求解实际问题时存在诸多困难。因此对高效的、智能的优化技术的需求日益迫切。
　　 超宽带技术的发展使得实际系统对超宽带天线的需求急剧增加。然而这一频段内存在已划分给其他通信系统的频段，如5.15-5.35GHz及5.725-5.825GHz的WLAN系统、3.3GHz-3.6GHz的WiMAX系统等，这些频带将会给UWB通信系统带来严重的电磁干扰。因此开展具有陷波性能的超宽带天线的研究具有十分重要的工程应用价值。
　　 随着无线通信和现代军事不断发展的需要，能够与载体相吻合的天线系统--共形天线的研究近年来日益得到重视，这是因为共形天线不仅可以提供期望的天线性能，而且不会影响载体本身的机动性能。因而共形微带阵列天线研究则具有广阔的应用场景。
　　 本文重点围绕高性能混合优化算法、具有陷波特性超宽带天线设计以及共形天线阵列方向图综合等方面展开研究，主要工作概括如下：
　　 1.针对常规遗传算法(SGA)在解决一些复杂问题时，存在的早熟、收敛速度慢及优化解精度低等缺陷，提出了一种改进的遗传算法(IGA)。采用多个交叉后代竞争择优和变异尺度自适应变化等遗传操作来提高遗传算法的优化效率，并分析改进算子对遗传算法性能的影响，而通过数值模拟结果说明了所提算法的有效性。
　　 2.在研究粒子群算法(PSO)寻优过程的基础上，提出了一种增强粒子群优化算法(EPSO)改善PSO算法的进化机制。算法通过引入新的速度更新算子、边界控制算子、全局最优粒子扰动算子来提高PSO算法粒子的寻优速率。同时，本文对EPSO算法中的参数选择对其收敛性的影响进行了研究。数值仿真结果证明了所提算法的有效性。
　　 3.借鉴植物学嫁接思想，将改进遗传算法和增强粒子群算法相结合，充分发挥这两种算法各自的优势，扬长避短，设计出一种新型混合改进遗传粒子群优化算法(HIGAPSO)。由于算法结合了两种不同的进化机制，不仅提高了粒子的多样性，而且平衡了全局与局部搜索，因而整个算法的寻优速度得到了改善。另外，给出了HIGAPSO算法计算复杂度分析并得出在单次进化过程中其计算复杂度与遗传算法基本相当的结论。而典型测试函数及对阵列方向图综合应用实例的数值模拟结果说明了所提算法的有效性。
　　 4.利用所提的混合优化算法结合HFSS，设计了一款铁锹结构的超宽带印刷天线。通过在天线辐射体或地板上嵌入缝隙或在辐射体的下方加寄生支节等谐振结构的方法使天线在某些特定频段具有陷波特性。进一步，讨论了谐振结构长度的变化对陷波频段位置的影响，制作了具有双陷波特性的超宽带天线。在此基础上，针对现有陷波结构将5-6GHz的WLAN频段全部滤除致使5.35-5.725GHz之间的有用信息丢失的缺陷，设计了一款新型的三阻带超宽带天线，能够有效保证5.35-5.725GHz之间信号的传输。此外，研究了天线对地板和加工容差的敏感度以及天线上不同谐振结构之间的相互影响。最后实际加工、测量了所设计出的天线。
　　 5.研究了圆柱共形阵列的低副瓣综合和方向图可重构技术。首先设计了圆柱共形相控阵列以及非均匀分布的低副瓣稀疏圆柱共形阵列，考虑到载体及阵元互耦在优化设计过程中对共形阵方向图综合带来的影响，将单元在阵列中的有源方向图直接叠加用于计算阵列方向图，以提高计算结果的可靠性。其次，分别设计了均匀分布及非均匀分布方向图可重构的共形阵列。最后，根据优化结果，制作了均匀分布圆柱共形阵列的原理样机，并对其辐射特性进行了测量，而良好的测试结果验证了本文设计的正确性和有效性。
　　 6.研究了锥台阵和球面阵三维方向图的综合方法。首先设计了具有双馈线极化特性的阵列单元，以方便调整阵列扫描过程中的极化分量。其次，详细分析了阵元间距对共形阵列辐射特性的影响，确定了本文所设计的锥台阵以及球面阵合理的阵列布局形式。最后，利用修正的波恩斯坦多项式对锥台以及球面共形阵列进行综合得到平滑的幅度分布，以克服相控阵列综合中高度振荡的幅度分布的缺陷并且大幅降低方向图综合过程中变量个数。仿真结果表明，本章所设计的阵列均达到了设计要求，从而证明了所提方法的有效性。