本发明基于一种目前应用广泛的串馈微带天线结构，利用差分进化算法(DifferentialEvolutionAlgorithm，DEA)优化阵元的间距和宽度，属于天线
技术领域：
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背景技术：
：天线是无线移动通信系统和雷达系统的重要组成部分。无线通信和雷达的快速发展，对体积小、成本低、高增益以及易集成的天线产生迫切需求。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。但由于理论上副瓣电平和波束宽度的相互制约关系，很难实现在满足窄波束的情况下同时获得较低副瓣电平，尤其是在有限的阵元个数的情况下。而在许多特定的通信、雷达系统中，需要在不牺牲波束宽度指标的条件下实现很低的副瓣电平。技术实现要素：发明目的：为了使串馈微带天线实现更低的副瓣电平，除阵元振幅可调外，加入阵元间距作为一组新的可调参数，从而实现比等间距串馈微带天线性能更优的非均匀阵元间距串馈微带天线。本发明采用DEA优化算法，提供一种以理论优化为基础的非均匀阵元间距串馈微带天线。本发明的天线可以实现更低的副瓣电平，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：本发明提供的基于非均匀阵元间距的低副瓣电平串馈微带天线，具有间隔布置的矩形微带天线阵元，阵元振幅作为一组优化变量，阵元间距作为第二组优化变量，建立方向图函数，利用差分进化算法，得到阵元间距和振幅的最优值，在要求的波束宽度范围内，寻找满足工程约束条件的最优副瓣电平解。具体地，所述差分进化算法从单个矩形微带天线的辐射函数出发，简化和变形理论辐射方向图函数，得到适用于任意多个阵元线阵的辐射方向图函数。辐射方向图函数中，相比等间距串馈微带天线线阵，所以阵元间间距可调，增加了可优化的范围，同时考虑了矩形微带天线的尺寸、可实现的阵元间距等在描述需要优化的函数中，同时体现了副瓣电平信息和波束宽度信息，在优化求解的过程中兼顾副瓣电平和3dB波束宽度，先确定要求的波束宽度作为约束条件，在满足波束宽度的解中寻找最优解。在DEA算法优化的过程中，考虑了在工程上可实现的阵元间距、振幅大小，将可实现的阵元间距和振幅大小作为约束条件，加入算法优化。具体地，单个阵元宽度和长度由近似公式计算得出，并进行仿真优化；阵列中，锥削分布的阵元的长度由差分进化算法给出的幅值分布决定。设计阵元间距不相等的串馈微带天线阵，根据不同的间距情况合理选择介电常数或连接阵元的微带线长度及弯折次数，通过电磁仿真软件有优化使得天线性能达到最优。发明原理：本发明通过DEA优化算法，寻找在要求的波束宽度范围内，满足工程约束条件的最优副瓣电平解。天线阵中阵元间距不相等，最终的天线模型以串馈的形式实现，主要包括同轴探针馈电端口、矩形微带天线阵元以及连接阵元的微带线。通过调整微带线的长度，使得每个阵元的相位相同；针对不同的阵元间距，采用不同的微带线的走线方式。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方向图函数，在主函数和需要优化的方向图函数中，考虑阵元宽度、阵元距离、相对振幅大小等约束条件。主函数调用的多个子函数可直接从相关的MATLAB工具箱获得。算法给出的解在实际串馈微带天线设计中可行可靠。天线模型包括同轴探针馈电端口、矩形微带天线阵元、连接阵元的微带线以及天线末端的接地过孔等。天线阵元的尺寸与工作频率和振幅分布有关。单个阵元宽度和长度可由近似公式计算得出并进行仿真优化获得；阵列中，锥削分布的阵元的长度由DEA给出的幅值分布决定。微带线的长度与工作频率和阵元间距有关，通过调整微带线长度实现阵元间360°或720°的相位差，保证所有阵元在工作频率下相位一致。有益效果：与现有等间距串馈微带天线相比，本发明具有如下优点：1)能够实现更低的副瓣电平和更窄的波束宽度。由于加入了间距作为一组新的优化参数，相比仅以振幅为变量的均匀串馈微带天线，可优化的范围增加，天线副瓣电平性能更好。2)阵元间距灵活，不受板材介电常数限制。现有的串馈微带天线阵元间距一般为一个介质波长左右。本发明采用非直线的走线方式，在一定范围内阵元间距不受限制。3)在实现有益效果1)的情况下，天线其他辐射性能依旧能够保持。4)DEA主函数适用范围广，可优化不同阵元个数、不同波束宽度要求的天线。理论优化考虑工程约束条件，可实现性强。附图说明图1为本发明中DEA算法流程图；图2为本发明中DEA算法模型图；图3为十阵元等幅等间距串馈微带天线模型图；图4为本发明的十阵元等幅非均匀阵元间距串馈微带天线模型图；图5为十阵元不等幅等间距串馈微带天线模型图；图6为本发明的十阵元不等幅非均匀阵元间距串馈微带天线模型图；图7为本发明天线的侧视图；图8为本发明的副瓣电平随频率变化的示意图；图9为本发明的增益随频率变化的示意图；图10为本发明的回波损耗随频率变化的示意图；图11为本发明的十阵元等幅非均匀阵元间距串馈微带天线和十阵元等幅等间距串馈微带天线，在9.0GHz处的E面仿真方向图；图12为本发明的十阵元等幅非均匀阵元间距串馈微带天线和十阵元等幅等间距串馈微带天线，在9.0GHz处的H面仿真方向图；图13为本发明的十阵元不等幅非均匀阵元间距串馈微带天线和十阵元不等幅等间距串馈微带天线，在9.0GHz处的E面仿真方向图；图14为本发明的十阵元不等幅非均匀阵元间距串馈微带天线和十阵元不等幅等间距串馈微带天线，在9.0GHz处的H面仿真方向图；具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。此非均匀阵元间距的串馈微带天线的设计分为两部分，DEA算法优化和天线模型设计。天线最终采用印刷电路板(PrintedCircuitBoard，PCB)工艺加工。模型包括：(1)矩形微带天线；(2)连接阵元的微带线；(3)馈电点；(4)SMA接头定位孔；(5)接地金属过孔；(6)金属地；(7)介质。如图2所示的单个矩形贴片远场的E面方向图函数(相对坐标系uov)遵循以下公式：其中，β是相位常数，W是矩形微带天线的长度，L是矩形微带天线的宽度，h是介质基板的厚度，εr是介质的介电常数，Le和εre分别是等效宽度和等效介电常数，而是与Z轴的夹角。在绝大多数工程情况下，(式1)可以简化为由于实际的矩形微带天线并非点源，本发明的辐射方向图从单个微带天线的辐射方向图出发，在理论计算时假设所有阵元的长宽相同(对一般的h值，对L的变化相对敏感，而对W变化相对不敏感)，得到近似线阵的E面方向图函数：(式5)中参数的含义分别为，2N阵元个数，Ei振幅，di如图(1)所示的间距。奇数个阵元的情况完全类似。(式5)可用MATLAB语言描述，可从中提取副瓣电平和波束宽度等信息，在需要优化的方向图函数中，加入波束宽度的约束条件，淘汰不满足波束宽度要求的解；在主函数中，加入阵元间距的约束条件，确保算法给出的解在工程实践上可行、易于设计。在主函数中，本发明加入了阵元间距和振幅约束条件，相邻阵元的间距为[0.50λ0，λ0](λ0是空气波长)，因为太小的阵元间距在实际的串馈微带天线中不容易实现且需要考虑阵元间互耦效应，太大的阵元间距对串馈微带阵列的电路特效和辐射特性都有不利影响。且本发明已经做过尝试，对有限个阵元个数的情况，最优解一般不会出现在[λ0，+∞]的范围内；将中间阵元的振幅归一化到1，其它阵元振幅的取值范围为[0.15，1.10]，保证工程上的可实现性。需要优化的函数：y＝αA+B。其中A是某一组解下的3dB波束宽度，y＝αA+B是该组解对应的副瓣电平，而α是随着A变化的函数，A0是要求的3dB波束宽度。通过DEA，找到一组满足约束条件的最优解，在该解下的y最小。整个算法可用图1的流程图描述。以DEA算法优化出的解为初值，采用电磁仿真软件对天线尺寸进行优化。注意仿真时应结合阵元间距的大小，合理选择不同介电常数的板材和不同长度的微带线。设计依据包括但不限于以下三点：(1)合理选择板材(介电常数)以减少走线的弯折程度，优先考虑相邻阵元间360°相位差的走线方式；(2)若板材(介电常数)受工程要求限制不可选择，应在微带线的弯折次数和走线偏离(距离x轴的距离)之间做出合适的权衡。弯折次数多，会带来设计复杂度和损耗；走线偏离x轴，对方向图尤其是副瓣电平有一定影响。(3)若发现某个解在电磁仿真中很难实现，应检查算法中的约束条件是否合适并尝试改变约束条件，寻找其它解。此外，建议在电磁仿真中先采用每个阵元分别加端口同时馈电的方式，确保算法给出的解的正确性后再进行串馈结构的优化。在满足副瓣电平、波束宽度等约束条件的基础上，天线设计应尽量使用简单易行的理论解和微带走线方式，并合理选择易于设计的介电常数(注意：介电常数会影响到矩形微带天线的长宽，从而对影响辐射方向图有一定影响，若在得到DEA理论解后修改介电常数，建议理论上重新计算一次)。如图4和图6所示，给出以十阵元的非均匀阵元间距串馈微带天线阵的设计，并给出与之相对应的、如图3和图5所示的等间距串馈微带天线阵模型作为的对比。说明书给出的两个例子假设介质材料为RogersRO4350(介电常数3.66)，工作中心频率为9.00GHz。优化后得到天线尺寸参数如表1至表4所示。各参数代表的意义在模型上标出，lmn和wmn表示矩形微带天线单元的长度和宽度，dmn表示阵元间距或阵元到原点的距离，gmn表示末端阵元中心到接地过孔的距离，0≤m≤3，0≤n≤3。表1图3中模型对应的参数值参数数值(mm)参数数值(mm)参数数值(mm)w2110.70l218.35d218.80w2210.70l228.35d2217.60w2310.70l238.45d2317.60w2410.70l248.45d2417.60w2510.70l258.45d2517.70g2010.73表2图4中模型对应的参数值参数数值(mm)参数数值(mm)参数数值(mm)w1110.80l118.30d119.00w1210.80l128.30d1218.00w1310.80l138.65d1321.08w1410.80l148.50d1423.51w1510.80l158.50d1527.43g1011.25表3图5中模型对应的参数值参数数值(mm)参数数值(mm)参数数值(mm)w0111.7l018.35d019.00w028.30l028.35d0217.8w037.40l038.50d0317.8w046.60l048.50d0417.8w058.10l058.50d0517.8g0011.25表4图6中模型对应的参数值参数数值(mm)参数数值(mm)参数数值(mm)w3112.39l318.30d3111.49w3212.27l328.40d3224.30w3310.28l338.40d3326.24w346.80l348.50d3427.40w354.40l358.50w3528.68g3011.45当前第1页1 2 3