超寬帶天線設(shè)計(jì)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(wèn)題中的應(yīng)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(biāo)函數(shù)往往是高度非線性、不可導(dǎo)且具有多極值，這些特點(diǎn)使得經(jīng)典優(yōu)化方法在求解實(shí)際問(wèn)題時(shí)存在諸多困難。因此對(duì)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(shí)際系統(tǒng)對(duì)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(huì)給UWB通信系統(tǒng)帶來(lái)嚴(yán)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(yīng)用價(jià)值。
　　 隨著無(wú)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(lái)日益得到重視，這是因?yàn)楣残翁炀€不僅可以提供期望的天線性能，而且不會(huì)影響載體本身的機(jī)動(dòng)性能。因而共形微帶陣列天線研究則具有廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。
　　 本文重點(diǎn)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(jì)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(duì)常規(guī)遺傳算法(SGA)在解決一些復(fù)雜問(wèn)題時(shí)，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(jìn)的遺傳算法(IGA)。采用多個(gè)交叉后代競(jìng)爭(zhēng)擇優(yōu)和變異尺度自適應(yīng)變化等遺傳操作來(lái)提高遺傳算法的優(yōu)化效率，并分析改進(jìn)算子對(duì)遺傳算法性能的影響，而通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果說(shuō)明了所提算法的有效性。
　　 2.在研究粒子群算法(PSO)尋優(yōu)過(guò)程的基礎(chǔ)上

4、，提出了一種增強(qiáng)粒子群優(yōu)化算法(EPSO)改善PSO算法的進(jìn)化機(jī)制。算法通過(guò)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(dòng)算子來(lái)提高PSO算法粒子的尋優(yōu)速率。同時(shí)，本文對(duì)EPSO算法中的參數(shù)選擇對(duì)其收斂性的影響進(jìn)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(xué)嫁接思想，將改進(jìn)遺傳算法和增強(qiáng)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(shì)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，設(shè)計(jì)出一種新型混合改進(jìn)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(jìn)化機(jī)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(gè)算法的尋優(yōu)速度得到了改善。另外，給出了HIGAPSO算法計(jì)算復(fù)雜度分析并得出在單次進(jìn)化過(guò)程中其計(jì)算復(fù)雜度與遺傳算法基本相當(dāng)?shù)慕Y(jié)論。而典型測(cè)試函數(shù)及對(duì)陣列方向圖綜合應(yīng)用實(shí)例的數(shù)值模擬結(jié)果說(shuō)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(jì)了一款鐵鍬結(jié)構(gòu)的超寬帶印刷天線。通過(guò)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(jìn)一步，討論了諧振結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度的變化對(duì)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(duì)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(jì)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(hào)的傳輸。此外，研究了天線對(duì)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(shí)際加工、測(cè)量了所設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)過(guò)程中對(duì)共形陣方向圖綜合帶來(lái)的影響，將單元在陣列中的有源方向圖直接疊加用于計(jì)算陣列方向圖，以提高計(jì)算結(jié)果的可靠性。其次，分別設(shè)計(jì)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(jī)，并對(duì)其輻射

8、特性進(jìn)行了測(cè)量，而良好的測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的正確性和有效性。
　　 6.研究了錐臺(tái)陣和球面陣三維方向圖的綜合方法。首先設(shè)計(jì)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(guò)程中的極化分量。其次，詳細(xì)分析了陣元間距對(duì)共形陣列輻射特性的影響，確定了本文所設(shè)計(jì)的錐臺(tái)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(xiàng)式對(duì)錐臺(tái)以及球面共形陣列進(jìn)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