整流天线阵子阵划分方法与流程

本发明属于雷达天线
技术领域：
，具体涉及雷达天线
技术领域：
中的一种整流天线阵子阵划分方法。
背景技术：
：空间太阳能电站是在空间将太阳能收集、转换为电能，并通过无线能量传输装置传回地面，再经过由地面整流天线转换为地面电力的系统，可以为人类提供丰富、可靠的清洁能源。在地面担当将微波能量转换为直流电的整流天线是微波无线能量传输系统的重要组成部分，其接收和转换效率关系到能量无线传输的成败，因此国内外学者均针对整流天线接收和转换微波能量进行研究，试图提高其转换为直流电的转换效率。t.sakamoto等人在文献“5.8-ghzseries/parallelconnectedrectennaarrayusingexpandabledifferentialrectennaunits”(ieeetransactionsonantennasandpropagation,vol.61,no.9,september2013)中提出了一种串行与并行连接的整流天线阵，在实验室环境下实现了高于38％的转换效率；虽然文献针对阵列天线阵的排列设计采用了单一子阵的形式，但其没有进行多种类型子阵的排列。郭根武在“微波无线能量传输地面演示系统研究”(2015年西安邮电大学硕士研究生学位论文)中搭建了一套微波无线能量传输的地面演示系统，并进行了整流天线设计，设计了三种子阵单元；但其设计方法按照子阵单元之间等间距设计，无法找到最优子阵排布设计方案。因此，本文从最优化的角度出发，以整流天线整流效率为目标函数，建立子阵划分的优化设计模型，从优化模型中得到整流天线子阵划分最优设计方案。技术实现要素：本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种整流天线阵子阵划分方法。该方法基于基于最优化设计的思想，以整流天线整流效率为目标函数，建立子阵划分的优化设计模型，从优化模型中得到整流天线子阵划分最优设计方案。本发明的技术方案是整流天线阵子阵划分方法，包括如下步骤：(1)输入整流天线阵特征参数、整流通道效率参数、辐射功率参数与子阵划分类型参数输入用户提供的整流天线阵特征参数、整流通道效率参数、辐射功率参数与子阵划分类型参数；其中，整流天线阵特征参数包括工作频率、整流天线阵口径；整流通道效率参数包括在起点、终点、拐点上不同的整流效率值；辐射功率参数包括最大辐射功率密度值、辐射功率曲线类型；子阵划分类型参数包括子阵划分类型总数、子阵划分各类型横纵向尺寸；(2)获得辐射功率密度曲线按照下式计算获得辐射功率密度曲线：p(r)＝p0exp(-4ln10r2/a2)其中，p表示辐射功率密度曲线，r表示整流天线阵上任一点到中心点的距离，p0为步骤(1)中输入的最大辐射功率密度值，exp表示自然对数的指数运算，ln表示自然对数运算，a表示步骤(1)中输入的整流天线阵口径；(3)获得整流通道效率曲线3a)按照下式计算获得辐射功率值w＝∫σp(r)dσ其中，w表示辐射功率值，p(r)表示步骤(2)获得的辐射功率密度曲线，r表示整流天线阵上任一点到中心点的距离，σ表示整流天线阵上的积分区域；3b)按照下式计算整流通道效率曲线的二阶、一阶与常数项系数其中，a、b、c分别为整流通道效率曲线的二阶、一阶与常数项系数，η1、η2、η3分别为处于起点、拐点、终点的整流通道效率值，p1、p2、p3分别为起点、拐点、终点的辐射功率密度值；3c)按照下式计算获得整流通道效率曲线η＝a·(10lnw)2+b·(10lnw)+c其中，η表示整流通道效率曲线，a、b、c分别为整流通道效率曲线的二阶、一阶与常数项系数，w为辐射功率值，ln表示自然对数运算；(4)获得子阵整流效率表达式其中，ηsum为子阵整流效率，下标sum代表求和，wi为步骤(3)获得的第i个子阵接收到的辐射功率，i为子阵编号，ηi为步骤(3)获得的第i个子阵对应的整流通道效率，n为子阵总数；(5)按照子阵整流效率建立目标函数选择最大化子阵整流效率f＝-ηsum其中，f为目标函数，ηsum为步骤(4)获得的子阵整流效率，下标sum代表求和；(6)对整流天线阵进行均匀子阵划分从步骤(1)中用户输入的子阵划分类型中选择子阵横纵向尺寸最小的子阵类型，以横纵向尺寸最小的子阵为划分依据，将整流天线阵口径按照子阵横纵向尺寸进行等间距均匀划分；(7)按照子阵划分类型选择优化设计变量在均匀子阵划分的基础上，按照子阵划分类型选择子阵所包括的同心圆半径为优化设计变量，x＝[r1,r2,...,rn]t其中，x为优化设计变量列向量，r1,r2,…,rn分别为不同子阵所包括的同心圆半径，n表示子阵划分类型总数，上标t表示转置运算；(8)按照子阵划分类型获得约束函数在确定优化设计变量的基础上，按照子阵划分类型获得约束函数，其中，r1,r2,…,rn分别为不同子阵所包括的同心圆半径，n表示子阵划分类型总数，a表示整流天线阵口径；(9)建立整流天线阵子阵划分优化模型在获得目标函数、优化设计变量、约束函数的基础上，按照下式建立整流天线阵子阵划分优化模型：其中，find表示优化运算，x为优化设计变量列向量,r1,r2,…,rn分别为不同子阵所包括的同心圆半径，n表示子阵划分类型总数，上标t表示转置运算，min表示优化取最小运算，f为目标函数，ηsum为子阵整流效率，下标sum代表求和，s.t.表示约束运算，a表示整流天线阵口径；(10)求解整流天线阵子阵划分优化模型求解步骤(9)建立的整流天线阵子阵划分优化模型，得到使整流效率最大化的优化设计变量值；(11)输出子阵划分方案输出步骤(10)得到的优化设计变量值，包括不同子阵划分类型对应的同心圆半径值；(12)获得子阵划分方案下各子阵模块单元数在步骤(11)的基础上，获得子阵划分方案下不同子阵划分类型对应的各子阵模块单元数。本发明的有益效果：本发明首先输入整流天线阵特征参数、整流通道效率参数、辐射功率参数与子阵划分类型参数，依次获得辐射功率密度曲线与整流通道效率曲线，进而得到子阵整流效率表达式，并以子阵整流效率建立目标函数；其次，对整流天线进行均匀子阵划分，并按照要求的子阵划分类型选择优化设计变量与约束函数，结合目标函数建立整流天线阵子阵划分优化模型；最后通过求解整流天线子阵划分优化模型，输出子阵划分方案，并得到子阵划分方案下的各子阵模块单元数。与现有技术相比，本发明具有以下优点：1.本发明实现了整流天线阵不同子阵划分的同步性，克服了现有技术无法进行不同类型子阵同时划分的不足；2.本发明对整流天线阵进行子阵划分，可以减少子阵数目，提高整流天线总体整流效率，实现整流效率最大化。以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。附图说明图1为本发明的流程图；图2为整流天线子阵划分示意图。具体实施方式下面结合附图1，对本发明具体实施方式作进一步的详细描述：本发明提供了一种整流天线阵子阵划分方法，包括如下步骤：步骤1，输入用户提供的整流天线阵特征参数、整流通道效率参数、辐射功率参数与子阵划分类型参数；其中，整流天线阵特征参数包括工作频率、整流天线阵口径；整流通道效率参数包括在起点、终点、拐点上不同的整流效率值；辐射功率参数包括最大辐射功率密度值、辐射功率曲线类型；子阵划分类型参数包括子阵划分类型总数、子阵划分各类型横纵向尺寸；步骤2，按照下式计算获得辐射功率密度曲线：p(r)＝p0exp(-4ln10r2/a2)其中，p表示辐射功率密度曲线，r表示整流天线阵上任一点到中心点的距离，p0为步骤1中输入的最大辐射功率密度值，exp表示自然对数的指数运算，ln表示自然对数运算，a表示步骤1中输入的整流天线阵口径；步骤3，获得整流通道效率曲线3a)按照下式计算获得辐射功率值w＝∫σp(r)dσ其中，w表示辐射功率值，p(r)表示步骤2获得的辐射功率密度曲线，r表示整流天线阵上任一点到中心点的距离，σ表示整流天线阵上的积分区域；3b)按照下式计算整流通道效率曲线的二阶、一阶与常数项系数其中，a、b、c分别为整流通道效率曲线的二阶、一阶与常数项系数，η1、η2、η3分别为处于起点、拐点、终点的整流通道效率值，p1、p2、p3分别为起点、拐点、终点的辐射功率密度值；3c)按照下式计算获得整流通道效率曲线η＝a·(10lnw)2+b·(10lnw)+c其中，η表示整流通道效率曲线，a、b、c分别为整流通道效率曲线的二阶、一阶与常数项系数，w为辐射功率值，ln表示自然对数运算；步骤4，按照下式获得子阵整流效率表达式其中，ηsum为子阵整流效率，下标sum代表求和，wi为步骤3获得的第i个子阵接收到的辐射功率，i为子阵编号，ηi为步骤3获得的第i个子阵对应的整流通道效率，n为子阵总数；步骤5，按照子阵整流效率选择最大化子阵整流效率f＝-ηsum其中，f为目标函数，ηsum为步骤4获得的子阵整流效率，下标sum代表求和；步骤6，从步骤1中用户输入的子阵划分类型中选择子阵横纵向尺寸最小的子阵类型，以横纵向尺寸最小的子阵为划分依据，将整流天线阵口径按照子阵横纵向尺寸进行等间距均匀划分；步骤7，在均匀子阵划分的基础上，按照子阵划分类型选择子阵所包括的同心圆半径为优化设计变量，x＝[r1,r2,...,rn]t其中，x为优化设计变量列向量，r1,r2,…,rn分别为不同子阵所包括的同心圆半径，n表示子阵划分类型总数，上标t表示转置运算；步骤8，在确定优化设计变量的基础上，按照子阵划分类型获得约束函数，其中，r1,r2,…,rn分别为不同子阵所包括的同心圆半径，n表示子阵划分类型总数，a表示整流天线阵口径；步骤9，在获得目标函数、优化设计变量、约束函数的基础上，按照下式建立整流天线阵子阵划分优化模型：其中，find表示优化运算，x为优化设计变量列向量,r1,r2,…,rn分别为不同子阵所包括的同心圆半径，n表示子阵划分类型总数，上标t表示转置运算，min表示优化取最小运算，f为目标函数，ηsum为子阵整流效率，下标sum代表求和，s.t.表示约束运算，a表示整流天线阵口径；步骤10，求解步骤9建立的整流天线阵子阵划分优化模型，得到使整流效率最大化的优化设计变量值；步骤11，输出步骤10得到的优化设计变量值，包括不同子阵划分类型对应的同心圆半径值；步骤12，在步骤11的基础上，获得子阵划分方案下不同子阵划分类型对应的各子阵模块单元数。本发明的优点可通过以下仿真实验进一步说明：1.仿真条件：整流天线口径为4.8米×4.8米，工作频率5.8ghz；整流通道效率分别在起点15dbm、拐点20dbm与终点25dbm处达到40％、60％与40％的转换效率；整流天线阵接收到的最大辐射功率密度中心值为4.924mw/cm2，辐射功率密度曲线满足高斯分布；子阵划分为2×2，2×4，4×4，4×8，8×8五类，其中2×2的基本单元间距为0.5倍波长，其它子阵尺寸依据倍数递推。以最大化整流效率为目标函数，建立整流天线阵子阵划分优化模型，并进行求解。最终优化后得到的子阵划分方案为r1＝1500mm,r2＝1880mm,r3＝2260mm,r4＝2640mm其中，r1、r2、r3与r4分别表示2×2，2×4，4×4与4×8四类子阵划分所包括的同心圆半径，最外层即为8×8子阵。图2为整流天线子阵划分示意图。子阵划分后整流天线阵接收到的总辐射功率为81.040w，总输出功率为47.907w，转换效率为59.12％。表1给出了子阵划分后得到的四分之一象限内子阵模块详细数目。表1整流天线阵子阵划分后四分之一象限内子阵模块详细数目表环数子阵类型半径范围mm子阵数目第一环2×20～1500614第二环2×41500～1880153第三环4×41880～226094第四环4×82260～264035第五环8×82640～3394.1115总计911综上所述，本发明首先输入整流天线阵特征参数、整流通道效率参数、辐射功率参数与子阵划分类型参数，依次获得辐射功率密度曲线与整流通道效率曲线，进而得到子阵整流效率表达式，并以子阵整流效率建立目标函数；其次，对整流天线进行均匀子阵划分，并按照要求的子阵划分类型选择优化设计变量与约束函数，结合目标函数建立整流天线阵子阵划分优化模型；最后通过求解整流天线子阵划分优化模型，输出子阵划分方案，并得到子阵划分方案下的各子阵模块单元数。与现有技术相比，本发明具有以下优点：1.本发明实现了整流天线阵不同子阵划分的同步性，克服了现有技术无法进行不同类型子阵同时划分的不足；2.本发明对整流天线阵进行子阵划分，可以减少子阵数目，提高整流天线总体整流效率，实现整流效率最大化。本实施方式中没有详细叙述的部分属本行业的公知的常用手段，这里不一一叙述。以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。当前第1页12