[發明專利]一種波導饋電全金屬雙極化平板天線陣列及其優化方法

在審

• 申請號: 201710261508.0
• 申請日: 2017-04-20
• 公開（公告）號: CN106921047A
• 公開（公告）日: 2017-07-04
• 發明（設計）人: 周世鋼;楊姜軍;彭昭航;李建瀛;韋高
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: H01Q21/00
• 分類號: H01Q21/00;H01Q21/24;H01Q1/50;H01Q3/00
• 代理公司: 西北工業大學專利中心61204
• 代理人: 金鳳

1.一種波導饋電全金屬雙極化平板天線陣列，其特征在于：

本發明所提供的波導饋電全金屬雙極化平板天線采用2×2子陣天線，每個2×2子陣天線均采用四層結構，四層結構包括底饋層、側饋層、諧振腔層和輻射腔層，底饋層和側饋層的饋電網絡采用多級T型結構E面波導級聯方式，饋電主波導末端為同軸波導轉換結構，底饋層和側饋層的饋電網絡中的每個T型結構都均為臺階和凹槽形狀，臺階位于T型結構主波導兩側，臺階關于主波導中心線對稱，每個T型結構中的臺階初始為一級，當阻抗匹配無法滿足時臺階增加為兩級，臺階依次遞增，T型結構的凹槽位于T型結構與主波導口正對的分支波導，凹槽寬度與T型結構的波導寬度相同，底饋層的饋電單元末端通過彎波導結構與耦合腔相接，側饋層的饋電單元與耦合腔相連，底饋層和側饋層之間的L型臺階結構形成耦合腔，耦合腔正對饋電波導口面的為長方形調諧槽，諧振腔層采用三層階梯腔體形式，階梯第三層為交叉寬縫的邊緣結構，與輻射腔層相連，輻射腔層由等距2×2的4個交叉寬縫結構組成，實現天線口面場的輻射，將2×2子陣天線作為基本單元橫向復制2n*2m個單元平面擺放從而組成整個天線陣列，其中n、m取值為正整數。

2.一種權利要求1所述波導饋電全金屬雙極化平板天線陣列的優化方法，其特征在于包括下述步驟：

第一步：選取天線單元中需優化的尺寸參數

將需優化的參數包括縫隙寬度、縫隙位置、輻射縫隙層高度、階梯腔體高度、各階梯的寬度、耦合腔體中調諧塊的三維尺寸、長方體調諧槽的寬度、側面饋電處臺階尺寸、底面饋電彎波導切角尺寸和對應的天線尺寸分別選取對應的參數p₁,p₂,…p_N；

第二步，明確天線優化目標并建立差分進化算法的目標函數

天線優化的目標包括天線帶寬內的電壓駐波比V_o、天線方向圖增益G_o和出現柵瓣角度天線單元的相對電平值GLL_o；

確立差分進化算法的目標函數，目標函數fitness(p₁,p₂,…p_n)為fitness(p₁,p₂,…p_n)＝α×f₁(p₁,p₂,…p_n)+β×f₂(p₁,p₂,…p_n)+γ×f₃(p₁,p₂,…p_n)，其中，α、β、γ分別為目標子函數f₁、f₂、f₃的權重；

$f_1(p_1,p_2,\mathrm{...}{p}_n)=\left\{\begin{array}{cc}\underset{m=1}{\overset{Nfreq}{\mathrm{\Σ}}}{\[VSWR(p_1,p_2,\mathrm{...}{p}_n,m)-V_o\]}^2& VSWR(p_1,p_2,\mathrm{...}{p}_n,m)\>V_o\\ 0& VSWR(p_1,p_2,\mathrm{...}{p}_n,m)\<V_o\end{array}\right.$

其中，p₁,p₂,…p_n為n個對應的天線參數，Nfreq為頻率采樣點個數，VSWR(p₁,p₂,…p_n,m)為第m個頻率點天線參數為p₁,p₂,…p_n時的電壓駐波比，Gain(p₁,p₂,…p_n,m)為第m個頻率點天線參數為p₁,p₂,…p_n時的增益值，為第m個頻率點天線參數為p₁,p₂,…p_n時在θ＝±θ_m時的相對增益dB值，其中θ_m為掃描角度，Gain(p₁,p₂,…p_n,m,±θ_m)第m個頻率點天線參數為p₁,p₂,…p_n時在θ＝±θ_m時的增益dB值，Gain(p₁,p₂,…p_n,m,0)第m個頻率點天線參量參數值為p₁,p₂,…p_n時在θ＝0o時的增益值；

第三步：天線尺寸及電性能參數初值的產生

利用差分進化算法隨機產生M組天線尺寸，對每一組天線尺寸，利用FE-BI分析當天線參數為特定參數p₁,p₂,…p_N時的電性能參數，電性能參數即天線帶寬內的電壓駐波比V_o、天線方向圖增益G_o和出現柵瓣角度天線單元的相對電平值GLL_o；

第四步：對天線尺寸及電性能參數進行優化

根據第二步中目標函數計算M個目標函數值，取最小值作為當代最優結果，如果最小值等于0則結束優化，如果最小值大于0則進入第五步；

第五步：進行差分進化算法的交叉和變異操作

使用差分進化算法的交叉操作和變異操作產生新一代的M組天線尺寸，重復第四步的操作，直到M個目標函數值均等于0，保存此時的天線尺寸參數為最優結果并結束優化循環操作。