[發(fā)明專利]一種基于MATLAB和HFSS的波束控制和陣列方向圖優(yōu)化方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910192160.3
• 申請(qǐng)日: 2019-03-14
• 公開（公告）號(hào): CN109992845B
• 公開（公告）日: 2023-02-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鄭會(huì)利;劉佳音
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安電子科技大學(xué);西安中電科西電科大雷達(dá)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新研究院有限公司
• 主分類號(hào): G06F30/20
• 分類號(hào): G06F30/20;G06F111/06
• 代理公司: 西安長和專利代理有限公司 61227
• 代理人: 黃偉洪

本發(fā)明屬于天線技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種基于MATLAB和HFSS的波束控制和陣列方向圖優(yōu)化方法；編寫了HFSS腳本來實(shí)現(xiàn)利用MATLAB快速建立陣列模型并給每個(gè)饋電單元賦值不同相位和幅度。在HFSS中得出單個(gè)天線單元的方向圖，由于在MATLAB中考慮了天線單元的影響，使得仿真結(jié)果更加準(zhǔn)確，通過引力搜索算法優(yōu)化饋電單元的幅度和相位；最后將優(yōu)化后的結(jié)果帶入HFSS仿真，得到滿足低副瓣且特定波束指向的方向圖。本發(fā)明解決了HFSS中陣列天線建模和仿真速度慢的問題，避免了傳統(tǒng)引力搜索算法容易陷于局部最優(yōu)解的問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于天線技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于MATLAB和HFSS的波束控制和陣列方向圖優(yōu)化方法。

背景技術(shù)

HFSS建模是天線設(shè)計(jì)中非常重要的一步。對(duì)于簡單規(guī)則的模型，設(shè)計(jì)師可以直接在HFSS里建模，但對(duì)于復(fù)雜甚至難以用方程表示的模型，則需要花費(fèi)大量的時(shí)間或者做大量重復(fù)性的工作。除此之外，HFSS的計(jì)算分析是基于FEM有限元法，主要針對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行求解，尤其適合于一些內(nèi)部問題的求解比如陣列天線設(shè)計(jì)、電磁兼容等。但也是由于高準(zhǔn)確性對(duì)自適應(yīng)網(wǎng)格的剖分精度、誤差的要求較高，需要充分考慮趨膚效應(yīng)、介質(zhì)損耗等因素，求解過程會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間和資源，復(fù)雜的單個(gè)器件和陣列天線可能會(huì)花費(fèi)幾天時(shí)間才能得到優(yōu)化結(jié)果。

針對(duì)建模耗時(shí)的問題，HFSS和第三方軟件聯(lián)合使用的方法已經(jīng)被提出。前人已經(jīng)編寫了hfssapi的MATLAB工具箱來實(shí)現(xiàn)MATLAB和HFSS的結(jié)合使用來提高建模速度，例如建立基本圖形和設(shè)置求解頻率，但該工具箱不夠完善遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求，例如添加和優(yōu)化變量參數(shù)、離散掃描方式等。

隨著頻譜資源的日益緊張，單一天線的寬輻射范圍加重了信息傳輸過程中的相互干擾，波束控制是解決這一問題的有效途徑之一，它利用陣列天線指向性的接收和發(fā)射實(shí)現(xiàn)了空間的選擇性，降低了信息相互干擾的幾率，提高了頻率可重復(fù)利用率。然而天線陣列在HFSS中的求解和優(yōu)化更需要大量的時(shí)間，因此研究人員提出了利用第三方軟件例如MATLAB中利用智能優(yōu)化算法來實(shí)現(xiàn)波束控制和優(yōu)化。然而，常見的在MATLAB中的波束優(yōu)化只通?？紤]端射陣或邊射陣的情況，利用智能優(yōu)化算法來滿足低副瓣或者零陷的要求，但是若在波束指向改變的情況下，由于沒有考慮波束方向的改變對(duì)方向圖的影響，該優(yōu)化結(jié)果性能較差且與HFSS仿真結(jié)果相差較遠(yuǎn)。

常用的智能優(yōu)化算法有遺傳算法、粒子群算法和2009年才提出的引力搜索算法GSA等。引力搜索算法，是一種基于萬有引力定律和牛頓第二定律的種群優(yōu)化算法。該算法通過種群的粒子位置移動(dòng)來尋找最優(yōu)解，兩個(gè)粒子之間的引力與兩個(gè)粒子的質(zhì)量成正比，與兩粒子之間的距離成反比。雖然經(jīng)典的引力搜索算法其尋優(yōu)精度和收斂速度都要明顯優(yōu)于粒子群算法和遺傳算法，但與其他啟發(fā)式優(yōu)化算法一樣，沒有能夠及時(shí)利用網(wǎng)絡(luò)的反饋信息，要得要較精確的解需要較多的訓(xùn)練時(shí)間，同時(shí)他也難以滿足擴(kuò)大搜索范圍保證全局最優(yōu)解和快速獲得最優(yōu)解保證收斂速度兩個(gè)目標(biāo)，因此存在收斂速度慢和過早收斂的缺點(diǎn)。

綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)存在的問題是：現(xiàn)有的HFSS建模和仿真速度慢、優(yōu)化算法不穩(wěn)定以及波束指向誤差。

解決上述技術(shù)問題的難度：

針對(duì)HFSS建模仿真慢，可以采取HFSS-MATLAB-API來解決，但編寫腳本的過程冗長易出錯(cuò)，即使很簡單的步驟也需要成百行的腳本程序來完成；優(yōu)化算法需要同時(shí)在盡可能短的時(shí)間內(nèi)找到全局最優(yōu)解，避免局部最優(yōu)解。

解決上述技術(shù)問題的意義：

提高建模仿真優(yōu)化的效率，減少人工建模的錯(cuò)誤率；考慮了天線單元的影響和波束指向的改變，利用改進(jìn)的引力搜索算法進(jìn)一步優(yōu)化方向圖函數(shù)，使其更準(zhǔn)確全面。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種基于MATLAB和HFSS的波束控制和陣列方向圖優(yōu)化方法。