[发明专利]余割平方和合成相位双约束波瓣阵列天线优化设计方法

摘要

本发明公开了一种余割平方和合成相位双约束波瓣阵列天线优化设计方法，主要解决现有天线余割平方波瓣不能测角和笔形波瓣低仰角比幅测角精度不高的问题。其实现步骤是：确定阵列天线几何构型以及水平方向阵元间距和俯仰方向阵元间距，阵列天线几何构型选用矩形单元栅格；确定天线口径和方位、俯仰阵元数；选择天线阵元类型，设计天线阵元的波瓣；设计余割平方波瓣和相位约束条件下的波束，采用全局优化概率搜索算法对阵列天线构造和优化设计问题求解；根据阵元激励幅度和相位，设计馈电网络；天线阵元与馈电网络集成，优化馈电网络的各端口相位，对阵列波束方向图进行微调，满足合成波束余割平方波瓣和合成相位的要求。

主权项

1.余割平方和合成相位双约束波瓣阵列天线优化设计方法，其特征在于，包括如下具体步骤：步骤1、根据方位、俯仰空域覆盖，确定阵列天线几何构型以及水平方向阵元间距和俯仰方向阵元间距；步骤2、根据天线增益、方位波束宽度、俯仰波瓣余割平方的要求，确定天线口径和方位、俯仰阵元数；步骤3、选择天线阵元类型，设计天线阵元的波瓣，在雷达工作频段内，满足低电压驻波比的要求，即阻抗匹配，天线阵元方向图记为其中θ表示方位向角度，表示俯仰向角度；步骤4、设计余割平方波瓣和合成相位约束条件下的波束，采用全局优化概率搜索算法对阵列天线的构造和优化设计问题求解，具体为：(4.1)根据天线增益、方位波束宽度、俯仰余割平方波瓣的要求，确定阵列天线期望的赋形波束，以最小均方误差准则构造阵列天线设计的优化问题为：其中，I_n、分别表示用3个具有不同相位特性的余割平方波瓣、设计余割平方波瓣和合成相位约束的第一波束形成网络、第二波束形成网络、第三波束形成网络的第n个天线阵元的激励，n＝0,1,…,M_s‑1，M_s表示俯仰向阵元数；第一波束形成网络的波束方向图第二波束形成网络的波束方向图第三波束形成网络的波束方向图j表示虚数单位，k表示波数，k＝2π/λ，λ表示波长，d_z表示俯仰方向阵元间距；表示第i波束形成网络的波束方向图的主瓣与理想余割平方函数的误差，csc(·)表示余割运算，表示理想余割平方函数的取值范围，表示俯仰向波束覆盖最小仰角，表示俯仰向波束覆盖最大仰角，为波束方向图主瓣区域即理想余割平方函数的取值范围的角度离散采样值，Q为所取角度值数目，表示第i个波束形成网络的波束方向图的最大值，max(·)表示求最大值；[ψ₁,ψ₂]为步骤3所设计的天线阵元的波束宽度，为阵列波束方向图主瓣所对应的角度与第一副瓣所对应角度之差；EMSL为期望最大旁瓣电平，第i波束形成网络的波束方向图相位为arg(·)表示复数的主值幅角，(·)′表示取一阶导数，(·)″表示取二阶导数；σ为经验数值，其值表示天线相位中心间距大小；min(·)表示求最小值；(4.2)采用全局优化概率搜索算法求解步骤(4.1)中的优化问题，得到阵元激励幅度和相位；具体为：运用线性加权和法将步骤(4.1)中的优化问题转换为单目标优化问题：采用遗传算法求解单目标优化问题，步骤如下：(4.2a)采用实数编码将优化问题转换为计算机代码，具体为：优化问题参数变量为I_n、取值为复数，共3M_s个变量，以取值范围为[0,1]的6M_s个实数变量替换，其中，x_m,m＝1,…,M_s和x_m,m＝3M_s+1,…,4M_s分别表示第一波束形成网络的阵元激励幅度和相位，x_m,m＝M_s+1,…,2M_s和x_m,m＝4M_s+1,…,5M_s分别表示第二波束形成网络的阵元激励幅度和相位，x_m,m＝2M_s+1,…,3M_s和x_m,m＝5M_s+1,…,6M_s分别表示第三波束形成网络的阵元激励幅度和相位，则有(4.2b)设置种群大小，创建初始种群，并计算目标函数值，即适应度函数的值；(4.2c)分配适应度值，进行适应度评估，进行遗传操作，即选择、交叉、变异，实现目标全局优化概率搜索；(4.2d)终止条件判断，适应度函数值偏差达到误差容限或算法达到最大遗传代数，算法终止；否则，重新计算适应度函数值，跳转至步骤(4.2c)进行下一轮的寻优搜索；步骤5、根据步骤4求解得到的阵元激励幅度和相位，设计馈电网络；步骤6、天线阵元与馈电网络集成，优化馈电网络的各端口相位，即调整阵元激励的相位，对阵列波束方向图进行微调，满足合成波束余割平方波瓣和合成相位的要求，波束输出结果为其中，表示相位微调优化后的第i个阵列波束方向图。