超寬帶天線設(shè)計及共形陣列綜合研究.pdf

1、現(xiàn)代電磁理論在輻射及散射問題中的應用在很大程度上都得益于優(yōu)化技術(shù)。然而電磁領(lǐng)域中優(yōu)化目標函數(shù)往往是高度非線性、不可導且具有多極值，這些特點使得經(jīng)典優(yōu)化方法在求解實際問題時存在諸多困難。因此對高效的、智能的優(yōu)化技術(shù)的需求日益迫切。
　　 超寬帶技術(shù)的發(fā)展使得實際系統(tǒng)對超寬帶天線的需求急劇增加。然而這一頻段內(nèi)存在已劃分給其他通信系統(tǒng)的頻段，如5.15-5.35GHz及5.725-5.825GHz的WLAN系統(tǒng)、3.3GHz-3.6G

2、Hz的WiMAX系統(tǒng)等，這些頻帶將會給UWB通信系統(tǒng)帶來嚴重的電磁干擾。因此開展具有陷波性能的超寬帶天線的研究具有十分重要的工程應用價值。
　　 隨著無線通信和現(xiàn)代軍事不斷發(fā)展的需要，能夠與載體相吻合的天線系統(tǒng)--共形天線的研究近年來日益得到重視，這是因為共形天線不僅可以提供期望的天線性能，而且不會影響載體本身的機動性能。因而共形微帶陣列天線研究則具有廣闊的應用場景。
　　 本文重點圍繞高性能混合優(yōu)化算法、具有陷波特性超

3、寬帶天線設(shè)計以及共形天線陣列方向圖綜合等方面展開研究，主要工作概括如下：
　　 1.針對常規(guī)遺傳算法(SGA)在解決一些復雜問題時，存在的早熟、收斂速度慢及優(yōu)化解精度低等缺陷，提出了一種改進的遺傳算法(IGA)。采用多個交叉后代競爭擇優(yōu)和變異尺度自適應變化等遺傳操作來提高遺傳算法的優(yōu)化效率，并分析改進算子對遺傳算法性能的影響，而通過數(shù)值模擬結(jié)果說明了所提算法的有效性。
　　 2.在研究粒子群算法(PSO)尋優(yōu)過程的基礎(chǔ)上

4、，提出了一種增強粒子群優(yōu)化算法(EPSO)改善PSO算法的進化機制。算法通過引入新的速度更新算子、邊界控制算子、全局最優(yōu)粒子擾動算子來提高PSO算法粒子的尋優(yōu)速率。同時，本文對EPSO算法中的參數(shù)選擇對其收斂性的影響進行了研究。數(shù)值仿真結(jié)果證明了所提算法的有效性。
　　 3.借鑒植物學嫁接思想，將改進遺傳算法和增強粒子群算法相結(jié)合，充分發(fā)揮這兩種算法各自的優(yōu)勢，揚長避短，設(shè)計出一種新型混合改進遺傳粒子群優(yōu)化算法(HIGAPSO)

5、。由于算法結(jié)合了兩種不同的進化機制，不僅提高了粒子的多樣性，而且平衡了全局與局部搜索，因而整個算法的尋優(yōu)速度得到了改善。另外，給出了HIGAPSO算法計算復雜度分析并得出在單次進化過程中其計算復雜度與遺傳算法基本相當?shù)慕Y(jié)論。而典型測試函數(shù)及對陣列方向圖綜合應用實例的數(shù)值模擬結(jié)果說明了所提算法的有效性。
　　 4.利用所提的混合優(yōu)化算法結(jié)合HFSS，設(shè)計了一款鐵鍬結(jié)構(gòu)的超寬帶印刷天線。通過在天線輻射體或地板上嵌入縫隙或在輻射體的下

6、方加寄生支節(jié)等諧振結(jié)構(gòu)的方法使天線在某些特定頻段具有陷波特性。進一步，討論了諧振結(jié)構(gòu)長度的變化對陷波頻段位置的影響，制作了具有雙陷波特性的超寬帶天線。在此基礎(chǔ)上，針對現(xiàn)有陷波結(jié)構(gòu)將5-6GHz的WLAN頻段全部濾除致使5.35-5.725GHz之間的有用信息丟失的缺陷，設(shè)計了一款新型的三阻帶超寬帶天線，能夠有效保證5.35-5.725GHz之間信號的傳輸。此外，研究了天線對地板和加工容差的敏感度以及天線上不同諧振結(jié)構(gòu)之間的相互影響。最后

7、實際加工、測量了所設(shè)計出的天線。
　　 5.研究了圓柱共形陣列的低副瓣綜合和方向圖可重構(gòu)技術(shù)。首先設(shè)計了圓柱共形相控陣列以及非均勻分布的低副瓣稀疏圓柱共形陣列，考慮到載體及陣元互耦在優(yōu)化設(shè)計過程中對共形陣方向圖綜合帶來的影響，將單元在陣列中的有源方向圖直接疊加用于計算陣列方向圖，以提高計算結(jié)果的可靠性。其次，分別設(shè)計了均勻分布及非均勻分布方向圖可重構(gòu)的共形陣列。最后，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，制作了均勻分布圓柱共形陣列的原理樣機，并對其輻射

8、特性進行了測量，而良好的測試結(jié)果驗證了本文設(shè)計的正確性和有效性。
　　 6.研究了錐臺陣和球面陣三維方向圖的綜合方法。首先設(shè)計了具有雙饋線極化特性的陣列單元，以方便調(diào)整陣列掃描過程中的極化分量。其次，詳細分析了陣元間距對共形陣列輻射特性的影響，確定了本文所設(shè)計的錐臺陣以及球面陣合理的陣列布局形式。最后，利用修正的波恩斯坦多項式對錐臺以及球面共形陣列進行綜合得到平滑的幅度分布，以克服相控陣列綜合中高度振蕩的幅度分布的缺陷并且大幅降