基于互耦补偿矩阵的IFFT算法及其应用

摘要

宽角度扫描相控阵天线由于其宽视场性能而在过去的几十年间受到了研究人员的广泛关注，其基本目标是在保证阵列的基本性能的条件下展宽其波束扫描范围。早期，研究者们主要通过构建宽波束天线单元来展宽相控阵的扫描范围，但是除了元因子，阵因子对于宽角度扫描相控阵天线的辐射性能影响也很大，如伴随扫描角度增大会出现较高的旁瓣等。因此，我们需要对相控阵进行分析综合以解决这些问题。阵列的天线综合指的是给定天线辐射方向图或者某些特性参数要求来设计阵元的数目、间距、激励幅度和相位等，以达到期望效果。经典的阵列综合方法有切比雪夫综合法、泰勒综合法等，后来又提出了智能优化算法用于阵列综合，如遗传算法、粒子群优化算法、免疫算法等。这些方法对于小型阵列的综合有很好的效果，但是对大型阵列并不适用。因此，一些利用了阵因子的特殊性质进而能够快速地对阵列进行分析综合的方法被提出，其中最具代表的就是迭代快速傅里叶变换技术。但IFFT技术的应用对象是阵因子，无法考虑阵列间的互耦效应，这可能导致优化结果与实际结果出现一定的偏差。因此，本文对阵列间的互耦效应进行了分析，并引入互耦补偿矩阵来消除互耦效应在低旁瓣综合中所带来的影响，在结合AEP方法对互耦补偿矩阵进行了求解和验证之后，提出了一种基于互耦补偿策略的IFFT技术。为了验证所提出算法的快速与可靠性，首先将该算法应用于两个由微带贴片天线组成的算例中进行低旁瓣综合，取得了很好的效果。然后再将所提出的算法应用于宽角度扫描相控阵天线的低旁瓣综合，并且针对不同的阵元数目与遗传算法的优化结果进行了对比。对比发现，在阵列性能基本一致的情况下，所提出算法所需时间远远少于后者。需要说明的是，不同于AEP方法，本文采用的是互耦补偿矩阵来计算阵元间的耦合强度，并利用最小二乘法进行求解，即利用互耦补偿矩阵将阵列的各元异性部分提取到累加符号外，进而可以利用IFFT技术进行快速综合。

目录

声明

第1 章绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 宽角度扫描相控阵天线的发展状况

1.2.2 阵列天线传统的综合方法

1.2.3 智能优化算法

1.2.4 迭代快速傅里叶变换算法

1.2.5 互耦补偿矩阵

1.3 论文的主要结构和工作安排

第2 章阵列综合的相关理论

2.1 阵列天线的分析

2.1.1 阵列天线的辐射

2.1.2 阵列的互耦分析

2.2 有源单元方向图（AEP）方法

2.3 迭代快速傅里叶变换算法

2.4 遗传算法

2.4.1 遗传算法的基本概念

2.4.2 遗传算法的基本算子

2.4.3 遗传算法的流程

2.5 本章小结

第3 章 基于互耦补偿矩阵的IFFT 算法

3.1 有源单元方向图的引入

3.1.1 有源单元方向图的提取

3.1.2 有源单元方向图的验证

3.2 互耦补偿矩阵的引入

3.2.1 互耦补偿矩阵的求解

3.2.2 互耦补偿矩阵的验证

3.3 基于互耦补偿矩阵的IFFT算法

3.3.1 基于互耦补偿矩阵的IFFT 算法的基本步骤

3.3.2 基于互耦补偿矩阵的IFFT 算法的综合实例

3.4 本章小结

第4章 基于互耦补偿矩阵的IFFT算法在宽角度扫描相控阵中的应用

4.1 宽波束天线单元结构

4.2 改进型IFFT技术在宽角度扫描相控阵的低旁瓣综合中的应用

4.3 本章小结

第5 章结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间取得的成果