用于微波传能发射天线系统馈电激励的鲁棒性设计方法

本发明属于天线设计，涉及一种用于微波传能发射天线系统馈电激励的鲁棒性设计方法。

背景技术：

1、近年来，微波无线能量传输技术在学术界和工业界等引起了广泛的兴趣。而如何保证微波无线能量传输系统具有高且可靠的效率是所有微波无线能量传输系统的一个关键性问题。其中，波束收集效率(beam collection efficiency)是衡量微波无线能量传输效率的一项关键指标。

2、目前，国内外关于发射天线馈电激励误差对波束收集效率(bce)的研究主要有以下几种思路：(1)仅考虑发射天线阵元的位置误差：对于阵列天线如有源相控阵天线而言，每个辐射单元的安装位置与预期理想位置无法完全保证一致，通过统计学方法分析位置误差对bce的影响。(2)仅考虑发射天线馈电的相位误差：受制造工艺和工作环境等因素的影响，发射阵元的移相器通常存在随机误差，这些误差会导致发射天线的相位具有不确定性，进而造成bce产生波动。

3、在实际工程中，受制造工艺和工作环境等因素的影响，这些影响会导致发射天线馈电激励具有不确定性，进而造成波束收集效率产生波动。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种用于微波传能发射天线系统馈电激励的鲁棒性设计方法，该方法可以在最差波束收集效率满足用户要求的情况下，确保最优解具有最大的容差区间。

2、本发明所采用的技术方案是，用于微波传能发射天线系统馈电激励的鲁棒性设计方法，具体包括如下步骤：

3、步骤1，求取方形平面阵列天线的理想阵因子和功率方向图；

4、步骤2，根据步骤1所得结果计算波束收集效率和最高电平；

5、步骤3，基于步骤2所得结果建立优化模型寻找最佳馈电激励；

6、步骤4，基于步骤3所得结果建立最差情况分析模型，寻找存在误差的最差馈电激励；

7、步骤5，根据步骤3和步骤4所得结果计算最大容差。

8、本发明的特点还在于：

9、步骤1的具体过程为：

10、假设一个方形平面阵列天线包含n×n个相同的辐射单元，且阵元沿x轴和y轴均匀排列，间距dx＝dy，同时假设所有单元各向同性，黑色方框表示第(m，n)个辐射单元，(xmn,ymn)为位置坐标，ωmn为激励幅值和φmn为相位，m＝1,2,...,n,n＝1,2,...,n，理想阵因子af(u,v)和功率方向图p(u,v)表示为：

11、

12、

13、式中，k＝2π/λ为波数，λ为波长，为方向余弦，θ表式与z轴的夹角，表示与x轴的夹角。

14、步骤2中，波束收集效率bce如下公式(3)所示：

15、

16、其中，pψ表示为辐射到接收天线立体角ψ的功率，pω表示为发射天线在可视域ω总辐射的功率；

17、接收天线区域外的最高电平csl如下公式(4)所示：

18、

19、步骤3中，寻找最佳馈电激励的过程如下公式(5)所示：

20、

21、其中，imn，φmn分别表示第(m,n)阵元的馈电幅值和相位，为负的波束收集效率，表示接收天线区域外的最高电平csl，csl0为对应电磁环境的最大容许值，b表示数字移相器的位数。

22、步骤4的具体过程为：

23、将不确定性误差δ引入步骤3中得到的最佳馈电激励进而使得辐射到接收天线外最高电平满足约束条件时，实现波束收集效率最小化，具体过程如公式(6)所示：

24、

25、其中，表示初始容差区间，(δ11,...,δ1n,δ21,...,δnn)是最佳馈电激励周围出现的一组容差区间，为考虑误差情况下的波束收集效率，为表示接收天线区域外的最高电平csl。

26、步骤5的具体过程为：

27、根据步骤3和步骤4分别求得最佳馈电激励向量和满足约束准则的考虑容差最差馈电激励最大容差δwc通过根据两者的欧几里得距离计算得出，数学描述为：

28、

29、其中，||·||表示l2范数。

30、本发明的有益效果是，本发明首先以电磁场理论为基础，通过数学推导得出馈电激励误差与波束收集效率的关系；其次，借助论文x.li,et al.,“studyofsteppedamplitude distribution taper for microwave power transmission forssps,”ieee trans.antennas propaga.,vol.65,no.10,pp.5396–5405,oct.2017.中阶梯口径场分布的设计思想将发射天线进行分环，同一环内的馈电激励相同。再次，以波束收集效率最大化为目标，通过粒子群优化算法得到最佳馈电激励；最后，以波束收集效率最小化为目标，通过最差情况敏度分析得到考虑误差后的波束收集效率，并计算出最佳馈电激励的最大容差范围。

技术特征：

1.用于微波传能发射天线系统馈电激励的鲁棒性设计方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的用于微波传能发射天线系统馈电激励的鲁棒性设计方法，其特征在于，所述步骤1的具体过程为：

3.根据权利要求2所述的用于微波传能发射天线系统馈电激励的鲁棒性设计方法，其特征在于，所述步骤2中，波束收集效率bce如下公式(3)所示：

4.根据权利要求3所述的用于微波传能发射天线系统馈电激励的鲁棒性设计方法，其特征在于，所述步骤3寻找最佳馈电激励的过程如下公式(5)所示：

5.根据权利要求4所述的用于微波传能发射天线系统馈电激励的鲁棒性设计方法，其特征在于，所述步骤4的具体过程为：

6.根据权利要求5所述的用于微波传能发射天线系统馈电激励的鲁棒性设计方法，其特征在于，所述步骤5的具体过程为：

技术总结
本发明公开了一种用于微波传能发射天线系统馈电激励的鲁棒性设计方法，具体包括如下步骤：步骤1，求取方形平面阵列天线的理想阵因子和功率方向图；步骤2，根据步骤1所得结果计算波束收集效率和最高电平；步骤3，基于步骤2所得结果建立优化模型寻找最佳馈电激励；步骤4，基于步骤3所得结果建立最差情况分析模型，寻找存在误差的最差馈电激励；步骤5，根据步骤3和步骤4所得结果计算最大容差。本发明可以在最差波束收集效率满足用户要求的情况下，确保最优解具有最大的容差区间。

技术研发人员：柳坤鹏,李勋,段宝岩,张逸群,陈光达,米建伟,钱思浩,樊冠恒
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14