稀布天線陣列的優(yōu)化布陣技術(shù)研究.pdf

1、在許多工程應(yīng)用中，要求天線陣列有窄的掃描波束，并不要求有相應(yīng)的增益，這類應(yīng)用正好可以采用天線單元在陣列孔徑上稀疏布置的方法來實(shí)現(xiàn)，它能構(gòu)造出一個降低了增益的強(qiáng)方向性陣列，以較少的天線單元達(dá)到分辨率等技術(shù)指標(biāo)，從而降低天線系統(tǒng)的成本。由于陣列中天線單元的稀疏布置，使得掃描波束變窄，空間分辨率提高，天線單元間的互耦減弱，這些優(yōu)點(diǎn)使得稀布天線陣列成為非周期陣列中頗具實(shí)用性的一類陣列天線。目前，稀布天線陣列在抗環(huán)境干擾的衛(wèi)星接收天線，高頻地面相

2、控陣?yán)走_(dá)天線和射電天文中的干涉陣列等領(lǐng)域中正得到越來越廣泛的應(yīng)用。 天線的最大相對旁瓣電平是評價天線性能的一個重要參數(shù)，對稀布天線陣列而言，如何設(shè)計一組陣元間距和陣元激勵，使稀布天線陣列的最大相對旁瓣電平在整個可見區(qū)最小是稀布天線陣列綜合問題中研究了半個多世紀(jì)的一類重要課題。近年來，天線單元稀疏布置的天線陣列(稀布天線陣列)被分為兩大類：稀疏陣列和稀布陣列。稀疏陣列來源于均勻陣列，它是將一定數(shù)目的天線單元從均勻間隔陣列中稀疏而形

3、成的，其陣元間距是原均勻陣列的陣元間距的整數(shù)倍；稀布陣列的天線單元在天線孔徑上隨機(jī)分布，其陣元間距是相互不可整除的。相對而言，稀布陣列優(yōu)化布陣無需象稀疏陣列那樣約束天線單元在等間隔的規(guī)則柵格上，所以優(yōu)化布陣的自由度更大，有利于更大限度地降低天線陣列的最大相對旁瓣電平，進(jìn)一步提高稀布天線陣列的旁瓣性能。 本文在給定陣列的幾何形狀的前提下，針對如何通過適當(dāng)?shù)剡x取稀布天線陣列的陣元間距來最大限度地降低陣列的最大相對旁瓣電平這一基本綜合

4、問題展開研究。由于稀布天線陣列的最大相對旁瓣電平是陣元位置的非線性函數(shù)，沒有現(xiàn)存的解析方法來確定最大相對旁瓣電平，也就是說，即使已知所有陣元的位置，也沒有可憑借的解析方法來求得最大相對旁瓣電平出現(xiàn)的位置，所以本文的研究對象是一個非線性最優(yōu)化問題。文中針對稀疏天線陣列綜合提出了分區(qū)窮舉法，并分析了它的性能及適用的場合；針對稀布天線陣列綜合可能涉及的不同約束，提出了一種基于現(xiàn)代計算智能方法--遺傳算法的改進(jìn)算法，并應(yīng)用于稀布直線陣列的多約束

5、優(yōu)化布陣；最后將這種綜合方法從一維線性稀布陣列的優(yōu)化布陣推廣到了二維稀布平面陣列的優(yōu)化布陣。本文的貢獻(xiàn)和創(chuàng)新之處包括： 1．建立了稀疏陣列和稀布陣列優(yōu)化布陣的最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，討論了最優(yōu)陣元配置的求解問題。 2．中小型稀疏陣列的窮舉綜合法中，枚舉陣列結(jié)構(gòu)的計算量是值得研究的一個問題，文中分析比較了兩種枚舉直線陣列結(jié)構(gòu)的算法：遞歸算法和二進(jìn)制序列窮舉法。 3．提出了稀疏直線陣列優(yōu)化布陣的分區(qū)窮舉方法，修正了在陣列孔徑

6、的均勻分區(qū)上分配陣元數(shù)目的理論公式。 4．討論了非對稱的陣列結(jié)構(gòu)對稀疏陣列旁瓣電平優(yōu)化的影響；即結(jié)構(gòu)上的對稱性是可利用的優(yōu)化自由度，由方向性天線單元綜合的非對稱稀疏天線陣列掃描時峰值旁瓣性能的惡化比對稱結(jié)構(gòu)的稀疏陣列更小。 5．改進(jìn)了實(shí)數(shù)遺傳算法的交叉和變異策略，結(jié)合高效的FFT算法計算稀疏陣列的方向圖函數(shù)，使優(yōu)化稀疏陣列激勵幅度的算法的穩(wěn)健性和收斂性得到改善。 6．提出一種修正的實(shí)數(shù)遺傳算法，解決了稀布直線天線