基于四维天线理论和强互耦效应的阵列天线技术研究

【摘要】：各种现代无线电子系统的飞速发展促使着天线系统朝着多功能、高性能以及低成本方向发展。单个天线单元由于自身的局限性,很难满足现代无线电子系统所追寻的波束可赋形、可扫描、低副瓣/超低副瓣等特性要求。而阵列天线由于具有较大的设计自由度,自然成为应对上述需求的最佳选择。时至今日,阵列天线的理论体系近乎完整,人们广泛认为阵列天线的研究已经极为成熟。遗憾的是,现有的阵列天线设计思路大多还停留在阵列天线这一概念诞生的那一历史阶段,本文将这类阵列天线技术称为常规阵列天线技术。而常规阵列天线的性能往往难以满足如今新应用背景下提出的要求。近年来,随着电磁研究领域诸多学科分支的发展,一些看似与阵列天线无关的技术,却一直引导着天线工程师积极探索新的物理机理和设计理念。本文将这类全新的阵列天线技术称为基于新物理机理的阵列天线技术。然而,到目前为止,有关基于新物理机理的阵列天线技术研究少之又少,这主要是这些新型阵列天线设计理念偏离传统方法太远,国际天线研究领域对此类设计理念也较陌生,并未给予足够重视。因此,要使这些新型阵列天线技术成为解决诸多工程应用问题时的重大突破性技术,非常有必要对其开展系统的理论研究、方法研究、实验研究以及应用基础研究。 正是基于这个目的,本文从新的视角研究了基于新物理机理的阵列天线技术。首先,受高速运动目标的多普勒效应启发,我们在阵列天线中引入了四维天线理论,使得传统意义上的阵元幅相加权能够通过时间加权方式实现,从而使阵列天线设计具有更大自由度。我们还在此研究中开发了一套完整的阵列天线优化设计软件。其次,受基于紧密排列偶极子的宽带频率选择表面(FSS)设计思路启发,本文通过在天线单元之间引入强互耦效应实现了多种宽带相控阵天线,并针对不同设计要求提出了具体的设计思路。此项相控阵天线新技术消除了传统宽带相控阵设计中减弱或补偿互耦效应这一设计框架带来的限制,为超宽带相控阵天线设计开辟了新途径。本文的主要研究内容和结论可概述如下: 1.基于种群进化的现代优化理论与算法研究 深入研究了用于阵列天线优化设计的现代优化理论与算法。通过引入精英保留策略下的多次种群初始化技术、精英邻域内的深度搜索技术、种群动态更新技术以及基于多次变异的病态个体修正技术四项改进措施,提出了修正差分进化算法(Modified Differential Evolution Strategy, MDES)。数值试验证明MDES具有如下优越性:(1)兼顾深度搜索和广度搜索能力,并在二者之间找到了平衡;(2)解决了非凸优化问题中普通优化算法收敛速度缓慢的问题;(3)解决了非凸优化问题中普通优化算法容易陷入局部最优解的难题。针对含有数字移相器的阵列天线设计问题,我们提出了混合型差分进化算法(Hybrid Differential Evolution Strategy, HDES),实现了对同时含有离散参数和连续参数优化设计问题的求解。针对含有多项矛盾指标要求的阵列天线设计问题,我们还研究了基于差分进化算子和目标分解的多目标、多尺度优化算法,数值试验表明该方法去除了单目标优化算法中需要反复调节目标函数中加权系数的困扰,并且一次优化可以产生一个包含多个Pareto最优解的解集。 2.四维天线阵面阵的高效综合方法研究 在基于种群进化理论的四维天线阵面阵的优化设计中,需要成千上万次地进行方向图计算,这是阵列综合过程最为耗时的部分。为解决此问题,我们研究了大型平面阵列的快速计算方法,将阵列方向图的空间计算域映射到二维快速傅立叶逆变换(2D IFFT)的变换域,使得原问题中的累加求和运算转换为快速傅立叶逆变换运算,提高了计算效率。此外,我们提出了使用等幅馈电的三角栅格平面阵列实现低副瓣和差波束,并采用基于2D IFFT和MDES的联合优化设计方法,大大提高了波束综合效率。针对低副瓣三维复杂赋形波束设计问题,我们一改传统Woodward- Lawson方法中的等幅直线阵加权拟合技术,提出了基于泰勒直线阵加权的新型二维Woodward- Lawson技术,这为低副瓣或超低副瓣三维复杂赋形波束设计提供了最为直接有效的技术途径。值得一提的是,上述低副瓣波束都是在激励幅度动态范围极小的条件下实现的,这在常规阵列天线中是无法做到的。 3.四维阵列天线的工程应用基础研究 在单脉冲雷达系统的应用研究方面,提出了一种基于双向相位中心移动模型的四维天线阵线阵单脉冲雷达系统。其新颖性在于:(1)同时在不同频率上实现和差波束,接收一个目标回波能得到两个高频角误差信号,并且接收和差波束性能较常规阵列天线易于控制,获取角误差信号时间更短,在相同时间内获得的目标测角精度更高。(2)通过合理设计阵元激励和工作时序,容易在边带上合成强干扰源,适于在有电子反对抗需求的系统中使用。在智能天线应用研究方面,我们提出了一种基于四维天线阵线阵接收功率最小化原理的自适应置零技术,该方法与传统自适应置零天线阵相比具有如下显著优势:(1)时间的控制比激励幅度的控制更容易、更准确;(2)可以产生更深的零深;(3)对主波束的扰动更小。 4.基于强互耦效应的宽带相控阵天线技术研究 从强互耦效应的不同实现方式出发,首先研究了基于强电容耦合偶极子的宽带相控阵,并随后提出了基于八角环单元的强电容耦合宽带相控阵天线设计方案。在此研究基础上,我们还提出了强互耦宽带相控阵的“增益-带宽”择优设计方案。基于强电容耦合偶极子的宽带相控阵的理论和实验结果表明该天线具有6:1的宽频带特性,且扫描范围达±45°。基于八角环单元的强电容耦合宽带相控阵的理论和实验结果表明该天线具有4.5:1的宽频带特性,且扫描范围达±45°。 5.基于强耦合调谐技术的低剖面宽带微带天线单元设计方法研究 提出了基于强耦合调谐技术的低剖面宽带微带天线设计方法。理论和实验结果表明,该技术可以将天线剖面高度从传统设计中的8%波长降低到4.3%波长,而天线的宽带特性依然保持。这是强电容、电感耦合技术在低剖面宽带天线单元设计中的初次尝试,这一技术丰富了现有的低剖面宽带微带天线设计方法。