超宽带低副瓣阵列天线方向图的快速计算与优化研究

摘要

UWB天线及其阵列广泛应用于雷达系统、无线通信、医学诊断等方面，阵列天线因为增益高、波束灵活可控、副瓣电平低、分辨率高等优点而得到了更大的关注和重视。对于大规模有限阵列天线方向图的计算和优化问题，如何实现效率和精度的最佳折衷，一直是个难点，尤其是对时域方向图的研究还不够成熟。因此，在考虑互耦情况下，对大规模UWB阵列天线时域方向图的快速计算和优化问题进行研究具有重要的价值和意义。
　　本文利用AEP来考虑阵元间的互耦影响，采用小阵外推方法来提高大规模阵列天线的计算效率，并结合田口算法来实现时域方向图的快速优化。主要的研究工作如下:
　　首先，基于时域辐射机理，分析了UWB天线及其阵列的辐射性能。以Vivaldi天线单元为例，对其小型化进行改进设计，通过加槽等方法优化出一款覆盖2.96-11GHz的小型化天线;以刀型TEM喇叭阵列天线为例，分析了阵元间的互耦影响和时域方向图的基本特性，并通过控制时延实现了阵列天线在三维空间的时域波束扫描;以Vivaldi双极化阵列天线为例，分别从频域、时域出发，研究了其辐射性能。
　　其次，研究了AEP和小阵外推方法在时域方向图快速计算中的可行性。利用该方法计算了大规模直线阵列、三角形栅格平面阵列以及双极化平面阵列的时域方向图，计算结果与仿真结果吻合良好，计算时间明显减小，验证了该方法的精确性和高效性。进一步通过公式推导提出一种简化的快速计算方法，将大规模阵列天线时域方向图的计算转化为几个小阵的总场计算问题，避免了小阵外推方法中逐元提取子阵AEP的繁琐操作，进一步提高了计算效率。
　　最后，利用田口算法对阵列天线的时域方向图进行优化。主瓣宽度和副瓣电平是一对相互矛盾的量，为了在一个目标不劣化的条件下实现另一个目标的优化，论文对多目标的优化问题进行研究。采用加权方式，将多个目标同时考虑在内，通过权重系数的调整，得到满足要求的非劣最优解。对算例进行优化，在主瓣宽度不明显展宽的条件下实现了副瓣电平的降低，验证了该方法的有效性，为实际工程应用提供了参考。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文的主要工作和研究内容

第2章 超宽带天线的基本理论

2．1 超宽带天线的传输原理

2．2 超宽带阵列天线的辐射原理

2．3 超宽带天线的时域特性参数

2．4 本章小结

第3章 超宽带天线及其阵列性能研究

3．1 刀型TEM喇叭阵列天线的设计

3．1．1 互耦分析

3．1．2 辐射性能分析

3．1．3 时域扫描性能分析

3．2 Vivaldi天线及其阵列的设计

3．2．1 Vivaldi天线单元的设计

3．2．2 Vivaldi双极化阵列天线的辐射性能

3-3 本章小结

第4章 大规模阵列时域方向图的快速计算

4-1 直线阵列时域方向图的快速计算

4-2 三角形栅格平面阵列的快速计算

4-3 双极化阵列时域方向图的快速计算

4-4 时域方向图快速计算的简化方法

4-5 本章小结

第5章 大规模超宽带阵列的低副瓣优化

5．1 田口算法和多目标优化问题介绍

5．2 直线阵列的低副瓣优化

5．3 三角形栅格平面阵列的低副瓣优化

5．4 双极化阵列的低副瓣优化

5．5 本章小结

总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及承担的科研项目