CN103412970A - 脊波导缝隙阵列天线方向图优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了脊波导缝隙阵列天线方向图优化方法,利用该方法可有效抑制缝隙间互耦对天线方向图的影响，降低天线的副瓣电平。本发明通过下述技术方案予以实现：在MATLAB中编写VBscript，运行VBscript脚本文件，自动建立天线仿真模型与提取模型，调整缝隙参数和仿真计算；提取各个脊波导缝隙电压的幅度和相位，与理论分布要求比较，判断天线口径幅度和相位的分布；根据优化算法，自动迭代优化计算天线口径分布，使各个脊波导缝隙电压的幅度锥削分布，并使各个脊波导缝隙电压的相位分布趋于一致，优化脊波导缝隙阵列天线口径分布，最终优化得到天线口径分布唯一确定的天线方向图。

Description

脊波导缝隙阵列天线方向图优化方法

技术领域

本发明是关于脊波导缝隙阵列天线方向图优化方法。

背景技术

波导缝隙阵列天线以其口径面利用效率高、口径分布容易控制、易于实现低或极低副瓣等优点获得了广泛应用，但是，它也有一个明显的不足之处就是在谐振状态下的工作带宽很窄，难以适应雷达和通信技术的日益发展，这一点也成为制约其应用的技术瓶颈。目前，解决波导缝隙阵带宽问题的主要途径有二：一是增加天线阵面的分区数，这种方法在一定程度上可以展宽天线频带，但是分区数的增多，会大大增加功率分配网络的复杂度，从而增加加工难度和天线体积；二是在矩形波导宽边内加脊，这种方法既能有效拓展天线的工作带宽，又能控制波导宽边的尺寸，减少天线的体积。为此，国内外已有对单脊波导或者单脊波导缝隙阵列天线做了一定的研究。通过合理选取脊波导的结构参数，如在一定范围内增加脊的宽度和高度，还能进一步拓宽天线的工作带宽。但是，这样会减小脊与波导宽边的间隙，增大缝隙间的互耦，致使天线方向图恶化。天线方向图是衡量天线主要辐射性能的直观表达，包括波束宽度和副瓣电平这两项主要指标，体现了天线辐射的电磁波能量在空间的分布规律。天线方向图与天线口径幅相分布之间满足傅立叶变换关系，天线口径幅相分布一定，则天线方向图一定，也是一种映射关系，因此，可以通过优化天线口径幅相分布来达到优化方向图的目的。对于脊波导缝隙阵列天线来说，缝隙间的互耦对天线口径上缝隙的幅相分布产生严重影响，恶化天线方向图。通过推导理论公式计算缝隙间的互耦，修正天线口径上的缝隙偏移和缝隙长度的设计值，从而修正天线口径幅相分布，得到理想的天线方向图，是一件非常繁琐而且精确度欠佳的工作，也不适合工程应用。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种可有效抑制缝隙间互耦对天线方向图的影响，能够降低天线的副瓣电平，易于工程实现的脊波导缝隙阵列天线方向图优化方法。

为了实现上述目的，本发明提供的一种脊波导缝隙阵列天线方向图优化方法，包括如下步骤：

（1）在MATLAB软件中通过编写高频结构仿真软件HFSS的脚本语言VBscript脚本文件，建立脊波导缝隙阵列天线仿真模型与脊波导缝隙电压参数的提取模型，以缝隙电压参数分布为天线口径幅相分布，自动完成脊波导缝隙阵列天线参数化建模、调整缝隙参数和仿真计算；

（2）仿真计算后，MATLAB程序中调用HFSS软件提取并输出的各个脊波导缝隙电压的幅度和相位，并与理论分布要求比较，判断天线口径的幅度和相位的分布；

（3）根据优化算法，自动迭代优化计算天线口径分布，使各个脊波导缝隙电压的幅度锥削分布，使各个脊波导缝隙电压的相位分布与天线口面理论幅度趋于一致，优化获取天线口径幅相分布唯一确定的天线方向图。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

本发明能自动建立参数化模型、仿真计算、提取脊波导缝隙电压参数，从而得到天线口径幅相分布，最终得到由天线口径分布唯一确定的天线方向图，并根据优化算法，自动迭代优化计算天线口径分布，完成脊波导缝隙阵列天线口径分布优化，即完成天线方向图优化，整个优化工作都是程序自动完成，不需要人工介入判断。

本发明通过几轮迭代优化各个脊波导缝隙的位置和长度后，脊波导缝隙电压的幅度满足设计的锥削分布要求，其相位满足设计的一致分布要求，相应的天线方向图也满足设计的波束宽度和低副瓣要求，这样最终完成对脊波导缝隙阵列天线方向图的优化。提取脊波导缝隙电压参数的方法准确、可靠，将提取的电压参数代入点源模型，计算的方向图与三维电磁仿真HFSS仿真的方向图完全一致，说明该方法的准确性。

本发明适合于工程应用，特别是各类复杂截面波导缝隙阵列天线及大规模波导缝隙阵列天线方向图的优化。

附图说明

为了更清楚地理解本发明，现将通过本发明实施方式，同时参照附图，来描述本发明，其中：

图1是脊波导缝隙阵列天线方向图优化流程图。

具体实施方式

参阅图1。根据本发明，将脊波导缝隙阵列天线设计完成后。首先，在MATLAB程序中完成脊波导缝隙阵列天线所有结构参数的初始化。然后，通过MATLAB程序编写HFSS软件的VBscript脚本文件而建立脊波导缝隙阵列天线仿真模型和缝隙电压参数的提取模型，以缝隙电压参数分布为天线口径幅相分布，完成优化天线方向图的准备工作。MATLAB主要使用fprintf函数来实现HFSS软件的VBscript脚本文件的编写，fprintf（fid，‘’）函数是将单引号内的内容写入fid所代表的文件中，单引号内的内容包括实现脊波导缝隙阵列天线在HFSS中参数化建模、仿真计算、场计算器提取脊波导缝隙电压参数、电压参数输出的脚本语言，编写完成之后关闭脚本文件。

在MATLAB程序中调用system（）函数来运行fid存储的HFSS软件的VBscript脚本文件，实现对HFSS软件的调用，自动完成脊波导缝隙阵列天线参数化建模、调整缝隙参数、仿真计算、每次仿真计算完成后，在HFSS的数据后处理模块Field Calculator中，通过对垂直于波导缝隙长边并且在波导缝隙口面中心线上的电场积分而计算得到脊波导缝隙电压参数，将提取的脊波导缝隙电压参数输出保存后，HFSS软件自动退出。

仿真计算后，MATLAB程序中调用HFSS软件输出的脊波导缝隙电压的参数（幅度和相位），并与理论分布要求比较，判断天线口径的幅度和相位的分布，如果脊波导各个缝隙电压的幅度和相位的分布不满足设计要求，则该分布对应的天线方向图也必然不满足设计要求，通过优化算法调整各个缝隙的位置和长度，达到调整各个缝隙电压的幅度和相位的分布，最终调整天线方向图的目的。

通过编程计算，微调缝隙的偏置值和缝长，可实现缝隙电压的幅度和相位的调整。微调后偏置值可以通过下述幅度微调函数实现：

DX_n＝X_n-k_x(A_n-AX_n)  (1)

式中，DX_n为微调后偏置量，X_n为仿真输入偏置量，k_x为位置加权因子，A_n为理论幅度值，AX_n为电压幅度值，其中，位置加权因子k_x取相邻两个脊波导缝隙位置对电压幅度的梯度中的最小值。为了减少每次缝隙偏置值的变化量，减小对其余天线设计参数的影响，达到局部微调的目的，理论幅度值A_n可以通过理论幅度分布乘以常数确定，该常数使理论幅度分布满足与各个脊波导缝隙电压幅度的均方差最小的条件。

微调后缝长DL_n可以通过下述相位微调函数实现：

${\mathrm{DL}}_n=L_n-k_1(\stackrel{\‾}{P}-P_n)---\left(2\right)$

式中，L_n为仿真输入缝长，k₁为长度加权因子，为天线口面相位均值，P_n为缝隙电压相位值。长度加权因子k₁可以取相邻两个脊波导缝隙长度对电压相位的梯度中的最小值。为了减少每次缝隙长度的变化量，减小对其余天线设计参数的影响，达到局部微调的目的，为天线口径相位均值，满足与各个脊波导缝隙电压相位的均方差最小的条件。

同时调整各个缝隙的偏置量和长度，就能同时调整各个缝隙电压的幅度和相位。进行迭代计算，使各个脊波导缝隙电压的幅度分布趋于天线口面理论幅度锥削分布，使各个脊波导缝隙电压的相位分布趋于一致，满足天线口径分布的设计要求，也就能满足天线方向图的设计要求。当缝隙的位置和长度的几何变化量小于加工精度要求时，认为迭代过程收敛，完成天线方向图的优化。通过优化各个脊波导缝隙电压的幅度和相位的分布，达到优化脊波导缝隙阵列天线方向图的波束宽度和副瓣电平的目的。通过优化各个脊波导缝隙电压的幅度和相位的分布，达到优化脊波导缝隙阵列天线方向图的目的。

Claims (10)

1.一种脊波导缝隙阵列天线方向图优化方法，包括如下步骤：

（1）在MATLAB软件中通过编写高频结构仿真软件HFSS的脚本语言VBscript脚本文件，建立脊波导缝隙阵列天线仿真模型与脊波导缝隙电压参数的提取模型，以缝隙电压参数分布为天线口径幅相分布，自动完成脊波导缝隙阵列天线参数化建模、调整缝隙参数和仿真计算；

（2）仿真计算后，MATLAB程序中调用HFSS软件提取并输出的各个脊波导缝隙电压的幅度和相位，并与理论分布要求比较，判断天线口径幅度和相位的分布；

（3）根据优化算法，自动迭代优化计算天线口径分布，使各个脊波导缝隙电压的幅度锥削分布，并使各个脊波导缝隙电压的相位分布与天线口面理论幅度趋于一致，优化获取天线口径分布唯一确定的天线方向图。

2.如权利要求1所述的脊波导缝隙阵列天线方向图优化方法，其特征在于，脊波导缝隙阵列天线仿真模型是通过在MATLAB软件中编写HFSS软件的VBscript脚本文件而建立的，能够自动调整缝隙参数和仿真计算。

3.如权利要求1所述的脊波导缝隙阵列天线方向图优化方法，其特征在于，脊波导缝隙电压参数的提取模型是通过在MATLAB软件中编写HFSS软件的VBscript脚本文件而建立的。

4.如权利要求1所述的脊波导缝隙阵列天线方向图优化方法，其特征在于，在脊波导缝隙电压参数的提取模型中，脊波导缝隙电压参数是，通过对垂直于波导缝隙长边并且在波导缝隙口面中心线上的电场积分而计算得到的。

5.如权利要求1所述的脊波导缝隙阵列天线方向图优化方法，其特征在于，每次仿真计算完成后，在HFSS的数据后处理模块Field Calculator中，通过对垂直于波导缝隙长边，并且在波导缝隙口面中心线上的电场积分而计算得到脊波导缝隙电压参数。

6.如权利要求1所述的脊波导缝隙阵列天线方向图优化方法，其特征在于，在各个脊波导缝隙电压的幅度分布趋于天线口面理论幅度分布的每次调整过程中，天线口面理论幅度分布满足与各个脊波导缝隙电压幅度的均方差最小的条件，并且，位置加权因子取脊波导缝隙位置对电压幅度的梯度中的最小值。

7.如权利要求1所述的脊波导缝隙阵列天线方向图优化方法，其特征在于，在各个脊波导缝隙电压的相位分布趋于一致的每次调整过程中，天线口面均匀相位分布满足与各个脊波导缝隙电压相位的均方差最小的条件，并且，长度加权因子取脊波导缝隙长度对电压相位的梯度中的最小值。

8.如权利要求1所述的脊波导缝隙阵列天线方向图优化方法，其特征在于，通过编程计算，微调缝隙的偏置值和缝长，调整缝隙电压的幅度和相位通过下述偏置值微调函数实现：

DX_n＝X_n-k_x(A_n-AX_n)  (1)

式中，DX_n为微调后偏置量，X_n为仿真输入偏置量，k_x为位置加权因子，A_n为理论幅度值，AX_n为电压幅度值，且位置加权因子k_x取相邻两个脊波导缝隙位置对电压幅度的梯度中的最小值。

9.如权利要求8所述的脊波导缝隙阵列天线方向图优化方法，其特征在于，理论幅度值A_n通过理论幅度分布乘以常数确定，该常数使理论幅度分布满足与各个脊波导缝隙电压幅度的均方差最小的条件。

10.如权利要求1所述的脊波导缝隙阵列天线方向图优化方法，其特征在于，微调后缝长DL_n通过下述相位微调函数实现：

${\mathrm{DL}}_n=L_n-k_1(\stackrel{\‾}{P}-P_n)---\left(2\right)$

式中，L_n为仿真输入缝长，k₁为长度加权因子，

为天线口面相位均值，P_n为缝隙电压相位值。

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