稀布阵列特性及优化方法研究

【摘要】：阵列天线因其具有高增益、低副瓣的方向图,容易实现波束扫描以及特殊波束赋形等优势,已经广泛应用于现代卫星通信、生物医学以及电子对抗等领域。近年来,随着人们对雷达系统以及无线通信系统中阵列天线的信息处理能力以及多频段信号截获能力要求越来越高,探索阵列天线的优化设计方法使其往大规模宽频宽角发展变得尤为重要。然而半波长间距的均匀相控阵进行规模扩展时面临成本过高、散热困难,满阵间距较小造成耦合较强的问题,稀布阵列综合方法已成为降低成本、提高软硬件设计自由度关键技术之一。本文以此为背景,围绕大间距宽角扫描、栅瓣抑制以及宽频低副瓣的稀布阵列综合问题展开了研究,主要工作内容如下:首先,针对稀布阵列在给定口径下,阵元数量对阵列性能影响的问题,以概率方法为基础,对稀布阵列以及密度抽样的稀疏阵列进行了性能研究,并通过算例对稀布阵列特性进行了总结,为实际阵列综合问题提供了先验知识。其次,针对稀布阵列综合方法中大间距宽角扫描、栅瓣抑制的问题,以遗传算法和粒子群算法为基础,加入阵元合并过程,提出了基于模块化子阵综合技术的稀布阵列设计方法,并通过给定频段的收发阵列算例表明了两种算法在保证阵列性能的前提下,实现了大规模稀布阵列的快速评估和低副瓣综合,解决了大间距阵元下的波束扫描问题。最后,针对稀布阵列宽带低副瓣综合的问题,以Schlottmann Tiling为理论基础,提出了一种在宽带内能抑制栅瓣且达到低副瓣效果的非周期平铺天线阵列设计方案,方案基于一种增加扰动点的技术,并与EPSO优化算法相结合,通过面阵以及模块化子阵拼接成大规模阵列的算例验证了本方法的性能,优化的阵列在保证以低频半波长为最小阵元间距布阵的同时,可以满足二倍频甚至更高频率的带宽内无栅瓣,且可以在空间中任意角度进行扫描。