[发明专利]准均匀阵元间距毫米波低副瓣电平串馈微带天线参数设计方法

说明书

本发明公开了一种准均匀阵元间距毫米波低副瓣电平串馈微带天线参数设计方法，采用电磁场全波仿真软件与差分进化算法(Differential Evolution Algorithm,DEA)相结合进行天线参数联合优化。在给定约束条件的情况下，获得天线阵元的间距、阵元的谐振长度和阵元宽度的优化解。采用DEA，可以将波束宽度、波束偏转角、天线阵元的间距、阵元的谐振长度和阵元的相对宽度作为优化的约束条件输入。本发明参数实现的串馈微带天线具有低副瓣电平的特点。相比等间距的切比雪夫理想点源阵列，在相同波束宽度的情况下，准均匀阵元间距的串馈微带天线的副瓣电平接近于切比雪夫理论解给出的副瓣电平。

技术领域

本发明涉及一种准均匀阵元间距毫米波低副瓣电平串馈微带天线参数设计方法；基于一种目前应用广泛的串馈微带天线结构，采用电磁场全波仿真软件结合差分进化算法(Differential Evolution Algorithm,DEA)联合优化天线阵元的间距、阵元宽度和阵元长度，属于天线技术领域。

背景技术

天线是无线移动通信系统的重要组成部分。随着第五代移动通信的快速发展和对毫米波频段的开发应用，对体积小、成本低、高增益以及易集成的毫米波频段天线产生迫切需求。微带天线具有易共形、易集成、易获得各种极化和多频段工作等优点。而串馈结构的天线阵相比并馈天线阵，结构更紧凑，体积更小。副瓣电平是天线的一个十分重要的参数。现有的工作在毫米波频段的串馈微带天线阵，一般利用切比雪夫分布、泰勒分布等经典分布算法，利用阵元振幅的锥削分布，调整阵元的宽度，实现对副瓣电平的抑制。但是，在毫米波频段，阵元之间的互耦效应和微带馈线的寄生辐射越加明显，阵元的宽度和阵元振幅不成正比例关系，手动调节或利用电磁场全波仿真软件自带的优化方法调节阵元宽度没法实现给定的电流振幅分布。因此，在满足窄波束的情况下，无法同时获得与切比雪夫分布或泰勒分布理论解接近的副瓣电平。也就是说，单单采用电磁场全波仿真软件优化的到的副瓣电平往往与切比雪夫分布理论或者泰勒分布理论解给出的副瓣电平差距较大。

发明内容

发明目的：为了使毫米波串馈微带天线在满足一定波束宽度的情况下，实现更低的副瓣电平，除阵元宽度可调外，加入阵元间距和阵元长度作为两组新的可调参数，从而设计出比等间距串馈微带天线性能更优的准均匀阵元间距串馈微带天线。本发明采用电磁场全波仿真软件结合差分进化算法(Differential Evolution Algorithm,DEA)联合优化，设计了中心馈电和端点馈电的准均匀阵元间距串馈微带天线的参数。本发明方法实现的天线可以产生更低的副瓣电平，而且天线的辐射特性相比现有的等间距串馈微带天线没有恶化。

技术方案：一种准均匀阵元间距毫米波低副瓣电平串馈微带天线参数设计方法，通过电磁场全波仿真软件结合差分进化算法(Differential Evolution Algorithm,DEA)联合优化，寻找在要求的波束宽度和波束偏转范围内，满足工程约束条件的副瓣电平优化解。

DEA优化算法包括主函数、主函数调用的多个子函数和需要优化的适应度函数，在主函数和需要优化的适应度函数中，引入阵元宽度、阵元长度、阵元间距和波束宽度、波束偏转角的约束条件。主函数调用的多个子函数可直接从相关的MATLAB工具箱获得。

适应度函数中的线阵方向图数据由电磁场全波仿真软件准确获得，可从中提取副瓣电平、波束宽度和波束偏转角，然后在一系列由电磁场全波仿真软件导出的远场方向图中，淘汰不满足波束宽度和波束偏转角要求的解，寻找副瓣电平优化解；在DEA主函数中，加入阵元间距、阵元宽度和长度的约束条件，确保联合优化给出的解在工程实践上可行、易于加工。

天线阵中阵元间距在小范围内优化，为准均匀阵元间距结构。此准均匀阵元间距的串馈微带天线模型以中心馈电和端点馈电两种形式实现，天线模型包括中心馈电模型和端点馈电模型。天线最终采用印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)工艺加工。