CN103646144B - 非周期阵列天线设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种非周期阵列天线设计方法，包括：建立非周期阵列天线单元模型组，非周期阵列天线单元模型组中包括至少两个天线单元模型，每个天线单元模型与相邻的天线单元模型的间距均不同，每个天线单元模型的方向图和有源电压驻波比均满足设计要求；建立初始非周期阵列天线模型，初始非周期阵列天线模型中包括至少三个天线单元；对初始非周期阵列天线模型依次循环使用优化算法综合优化、根据优化结果更新非周期阵列天线模型并使用非周期阵列天线单元模型组中的天线单元模型更新天线单元、全波分析处理，当在一次循环处理过程中使用优化算法得到的方向图和使用全波分析得到的方向图误差不超过预设阈值时，得到非周期阵列天线的设计结果。

Description

非周期阵列天线设计方法

技术领域

本发明涉及通信技术，尤其涉及一种非周期阵列天线设计方法。

背景技术

阵列天线的综合设计通常可以通过三种方法实现，分别是改变阵列单元的激励幅度、改变阵列单元的激励相位和改变阵列单元间的间距。但是对于改变阵列单元的激励幅度的不等幅阵列设计方法而言，通常会出现较大的幅度激励比，而且使用不等幅激励也会由于阵列单元没有工作在最大功率而影响阵列的总辐射功率；对于改变阵列单元的激励相位的不等相位阵列设计方法而言，相对于不等幅阵列需要使用更多的阵列单元，并且需要使用价格昂贵的移相器来实现相位加权。而改变阵列单元的间距的不等间距阵列设计方法具有工作在最大辐射功率、易于实现、成本低等诸多优点。

但是不等间距阵列设计方法相较于不等幅阵列设计方法和不等相位阵列设计方法而言，存在更多难点。首先，阵列的最终单元位置会在整个阵列尺寸范围内产生较大的变化，而且很难控制，对阵列优化的限制条件越多越不容易得到较好的优化结果；其次，阵列单元之间的互耦会随着阵列单元间距变化而变化，从而导致单元的阵中辐射方向图和单元有源电压驻波比（Voltage Standing Wave Ratio，VSWR）也随之产生较大的变化。

现有技术对不等间距阵列的设计主要有两种方法，第一种方法主要针对优化算法本身，致力于提出更快以及寻优能力更强的算法，对单元间的互耦影响不考虑或考虑较少。该方法虽然对算法方面贡献较大，耗时较短，但综合设计的结果仅针对理想点源，很难在实际设计中使用。第二种方法考虑单元间互耦的影响，由于阵列单元间距的变化会引起单元间互耦的变化，而为了得到较为准确的优化结果，通常在采用优化算法对阵列进行综合设计的每一代中都采用全波分析来获取单元的方向图代入综合设计中，但对于目前一般采用的如遗传算法（Genetic Algorithm，GA）、差分进化（Differential Evolution，DE）等优化算法而言，每次综合设计过程都需要进行成百上千代的进化过程，在每一代中都代入单元方向图来计算优化得到的阵列方向图，意味着需要相同数量的全波分析次数，因此这种方法耗时很长。若采用收敛速度较快的算法可以在一定程度上提高综合设计速度，但是并没有从根本上解决时间消耗问题，而且收敛速度过快也容易导致收敛到局部最优值。

另外，现有技术对不等间距阵列的设计方法对单元互耦的影响主要是考虑单元阵中的单元方向图，提取单元阵中的单元方向图进行优化，很少考虑单元有源电压驻波比的恶化对整个阵列性能的影响。而实际上，单元互耦的影响对单元方向图和有源电压驻波比影响都较大。

发明内容

本发明提供一种非周期阵列天线设计方法，用于提供一种高效、准确的非周期阵列天线设计方法。

本发明提供一种非周期阵列天线设计方法，包括：

建立非周期阵列天线单元模型组，所述非周期阵列天线单元模型组用于作为非周期阵列天线中天线单元的模板组合，所述非周期阵列天线单元模型组中包括至少两个天线单元模型，其中每个天线单元模型与相邻的始天线单元模型的间距均不同，并且每个天线单元模型的方向图和有源电压驻波比均满足设计要求；

建立初始非周期阵列天线模型，所述初始非周期阵列天线模型中包括至少三个天线单元；

对所述初始非周期阵列天线模型依次循环使用优化算法综合优化、根据优化结果更新所述非周期阵列天线模型并使用所述非周期阵列天线单元模型组中的天线单元模型更新天线单元、全波分析处理，当在一次循环处理过程中使用所述优化算法得到的方向图和使用全波分析得到的方向图误差不超过预设阈值时，得到非周期阵列天线的设计结果。

本发明提供的非周期阵列天线设计方法，在对非周期阵列天线的设计过程中，首先建立非周期阵列天线模型组，然后使用优化算法对非周期阵列天线进行优化，根据优化结果更新非周期阵列天线模型并将非周期阵列天线中的天线单元替换为非周期阵列天线模型组中的天线单元模型，从而消除阵列天线单元间互耦对有源电压驻波比的影响，最后对优化后的非周期阵列天线模型进行全波分析，并对优化结果全波分析误差较大的非周期阵列天线模型进行迭代优化，由于在每次迭代的过程中，仅进行了一次全波分析，并通过建立非周期阵列天线模型组消除了由于天线互耦对有源电压驻波比的影响，从而使设计结果得到的非周期阵列天线既准确又节约优化时间。

附图说明

图1为本发明实施例提供的非周期阵列天线设计方法实施例一的流程图；

图2为本发明实施例提供的非周期阵列天线设计方法实施例二的流程图；

图3为本发明实施例提供的非周期阵列天线设计方法实施例三的流程图；

图4A为双馈点双层微带贴片天线单元模型的侧视示意图；

图4B为双馈点双层微带贴片天线单元模型的顶视示意图；

图5A为图4A和图4B所示的双馈点双层微带贴片天线单元模型在不同间距下的方向图；

图5B为图4A和图4B所示的双馈点双层微带贴片天线单元模型在不同间距下的有源电压驻波比示意图；

图6示出对称直线不等间距阵列模型示意图；

图7示出对非周期阵列天线模型的优化过程图；

图8A至图8F示出对由图4A和图4B组成的阵列天线模型进行优化和仿真过程的曲线对比图；

图9A至图9I示出由图4A和图4B组成的阵列天线模型进行优化和仿真结果的曲线对比图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

阵列天线是由多个天线单元按照一定的排列方式排列组成的，阵列中的所有天线单元的方向图共同组成阵列天线的方向图。非周期阵列天线是指阵列天线中的天线单元的排列方式是非周期性的，由于非周期阵列天线可以仅通过改变阵列中天线单元的排列方式来改变阵列天线的方向图，因此非周期阵列天线相较于其他形式的阵列天线具有能够工作在最大辐射功率、更容易实现、成本低等优点。非周期阵列天线例如不等间距阵列天线或稀布阵列天线等，本发明实施例提供的非周期阵列天线设计方法对非周期阵列天线的具体形式没有限制，只要该非周期阵列天线中天线单元的排列方式是非周期性的即可。本发明实施例提供的非周期阵列天线设计方法涉及的非周期阵列天线可以为直线阵列、平面阵列或三维阵列等形式。

由于非周期阵列天线中天线单元数量较多，天线单元之间的间距无规律，因此在设计非周期阵列天线时需要采用一定的优化算法对非周期阵列天线进行仿真优化。非周期阵列天线中相邻的天线单元之间产生的互耦会对天线单元的方向图和有源电压驻波比产生较大影响，从而影响非周期阵列天线的总的方向图。

现有技术对非周期阵列天线的设计方法分为下述两种，第一种是不考虑天线单元之间的互耦，仅通过优化算法针对天线单元之间的间距进行优化运算，使非周期阵列天线的方向图满足设计要求。但由于未考虑天线单元间的互耦，通过这种方法优化得到的非周期阵列天线很难应用于实际设计中。第二种是考虑天线单元之间的互耦，但在使用优化算法对天线单元之间的间距进行优化时，由于天线单元之间的间距发生改变，会导致天线单元之间的互耦也发生改变，仅使用优化算法对非周期阵列天线进行优化会使优化结果不够准确。而在考虑单元之间的互耦的情况下，为了得到较为准确的优化结果，需要在优化算法的每一代中都采用全波分析来获取天线单元的方向图代入优化结果。而通过优化算法对非周期阵列天线进行优化通常需要成百上千代的进化过程，在每一代中都采用全波分析获取天线单元的方向图并代入优化结果意味着需要进行与优化代数相同次数的全波分析。由于对天线单元的方向图进行全波分析耗时很长，导致这种优化方法的耗时很长，并且非常消耗系统资源。另外在第二种情况中，也仅考虑了天线单元互耦导致天线单元方向图变化对阵列方向图的影响，而没有考虑天线单元的有源电压驻波比对阵列性能的影响，同样会导致优化结果与实际结果存在差距。

本发明实施例为了解决现有技术的上述缺陷，提出了一种非周期阵列天线设计方法，其中既考虑到天线单元之间互耦导致单元方向图与有源电压驻波比变化对阵列方向图的影响，又避免了使用优化算法对天线阵列进行优化时在每一代中都使用全波分析获取天线单元的方向图带来的时间消耗，从而提供了一种高效地、可靠地非周期阵列天线设计方法。

本发明实施例提供的非周期阵列天线设计方法可以针对非周期阵列天线方向图的各种要求对非周期阵列天线进行设计，例如对非周期阵列天线的波束赋形设计或者低副瓣设计等。

图1为本发明实施例提供的非周期阵列天线设计方法实施例一的流程图，如图1所示，本实施例的方法包括：

步骤S101，建立非周期阵列天线单元模型组，非周期阵列天线单元模型组用于作为非周期阵列天线中天线单元的模板组合，非周期阵列天线单元模型组中包括至少两个天线单元模型，其中每个天线单元模型与相邻的天线单元模型的间距均不同，并且每个天线单元模型的方向图和有源电压驻波比均满足设计要求。

具体地，本实施例进行非周期阵列天线设计的思路是先建立一个非周期阵列天线单元模型组，该非周期阵列天线单元模型组相当于在进行非周期阵列天线设计时的一个模板，在对非周期阵列天线进行优化的过程中，可以使用非周期阵列天线单元模型组中的天线单元模型替换优化中的非周期阵列天线的天线单元。由于本实施例是对非周期阵列天线进行设计，而非周期阵列天线中为了使不同的天线单元之间的间距非周期变化，因此在建立非周期阵列天线单元模型组时，至少需要包括两个天线单元模型。并且为了使优化后的非周期阵列天线消除由于天线单元之间的互耦对方向图和有源电压驻波比的影响，需要使非周期阵列天线模型组中的所有天线单元模型的方向图和有源电压驻波比满足设计要求。

步骤S102，建立初始非周期阵列天线模型，初始非周期阵列天线模型中包括至少三个天线单元。

具体地，在进行非周期阵列天线的优化时，首先需要建立初始非周期阵列天线模型，根据阵列天线的设计需要，首先选取适合的天线单元结构、天线单元数量以及初始天线单元的间距。初始天线单元的间距可以为根据经验得到的预设值或者将天线单元等间距排列。确定初始非周期阵列天线模型中天线单元的尺寸、间距和数量后，建立初始非周期阵列天线模型。初始非周期阵列天线模型为对非周期阵列天线进行优化设计的开始，初始非周期阵列天线模型的设计越准确，优化设计的速度越快。

步骤S103，对初始非周期阵列天线模型依次循环使用优化算法综合优化、根据优化结果更新非周期阵列天线模型并使用非周期阵列天线单元模型组中的天线单元模型更新天线单元、全波分析处理，当在一次循环处理过程中使用优化算法得到的方向图和使用全波分析得到的方向图误差不超过预设阈值时，得到非周期阵列天线的设计结果。

具体地，对初始非周期阵列天线进行优化设计主要分为三步，首先使用优化算法对初始非周期阵列天线模型进行综合优化，使优化后的非周期阵列天线模型的方向图满足设计要求；然后根据优化结果更新非周期阵列天线模型中天线单元之间的间距并将优化后的非周期阵列天线模型中天线单元替换为与其最接近的非周期阵列天线单元模型组中的天线单元模型，得到更新后的非周期阵列天线模型，最后对更新后的非周期阵列天线模型进行全波分析，将全波分析后的方向图与使用优化算法优化后的方向图进行对比，若两者之间的误差不超过预设阈值，则得到非周期阵列天线的设计结果；若上述两者之间的误差超过预设阈值，则对得到的非周期阵列天线再次进行本步骤中的三步处理，直到使用优化算法得到的方向图和使用全波分析得到的方向图误差不超过预设阈值时，得到非周期阵列天线的设计结果。

本实施例，在对非周期阵列天线的设计过程中，首先建立非周期阵列天线模型组，然后使用优化算法对非周期阵列天线进行优化，根据优化结果更新非周期阵列天线模型并将非周期阵列天线中的天线单元替换为非周期阵列天线模型组中的天线单元模型，从而消除阵列天线单元间互耦对有源电压驻波比的影响，最后对优化后的非周期阵列天线模型进行全波分析，并对优化结果全波分析误差较大的非周期阵列天线模型进行迭代优化，由于在每次迭代的过程中，仅进行了一次全波分析，并通过建立非周期阵列天线模型组消除了由于天线互耦对有源电压驻波比的影响，从而使设计结果得到的非周期阵列天线既准确又节约优化时间。

图2为本发明实施例提供的非周期阵列天线设计方法实施例二的流程图，如图2所示，本实施例的方法包括：

步骤S201，建立初始天线单元模型，初始天线单元模型的方向图和电压驻波比满足设计要求。

具体地，非周期阵列天线是由多个天线单元组成的，因此在设计非周期阵列天线时，需要首先设计非周期阵列天线中的初始天线单元模型，为了使非周期阵列天线满足设计要求，在设计初始天线单元模型时，需要使初始天线单元模型的方向图和电压驻波比满足设计要求。由于对于一个非周期阵列天线而言，仅需要为其设计一个初始天线单元模型，为了保证后续优化设计的准确，在此可以采用全波分析的方法对初始天线单元模型进行仿真设计，使初始天线单元模型的方向图和电压驻波比在设计频带内尽量优化。对初始天线单元模型的仿真可以采用多种方法，例如可以采用Ansys HFSS软件对初始天线单元模型进行建模并仿真。

步骤S202，建立初始非周期阵列天线单元模型组，初始非周期阵列天线单元模型组中包括至少两个初始天线单元模型，其中每个初始天线单元模型与相邻的初始天线单元模型的间距均不同。

具体地，使用步骤S201中得到的初始天线单元模型建立初始非周期阵列天线单元模型组，相当于建立一组非周期阵列天线中天线单元的初始模板，初始非周期阵列天线单元模型组中每个初始天线单元模型与相邻的初始天线单元模型的间距均不同，即初始非周期阵列天线单元模型组中提供多个初始天线模型的间距值，以供后续步骤使用。由于本实施例是对非周期阵列天线进行设计，而非周期阵列天线中为了使不同的天线单元之间的间距非周期变化，因此在建立初始非周期阵列天线单元模型组时，至少需要包括两个初始天线单元模型。这样至少可以提供两个不同的间距值供后续步骤使用。

步骤S203，调整初始非周期阵列天线单元模型组中天线单元模型的模型参数，使初始非周期阵列天线单元模型组中每一天线单元模型的有源电压驻波比均满足设计要求，得到非周期阵列天线单元模型组。

具体地，由于天线单元之间互耦的影响，初始非周期阵列天线模型组中的多个初始天线单元模型会由于互耦的影响导致有源电压驻波比产生变化，本步骤需要对非周期阵列天线模型组中的初始天线单元模型进行调整，使初始非周期阵列天线模型组中的所有初始天线单元模型的有源电压驻波比满足设计要求。本步骤对初始天线单元模型的调整仅限于调整各初始天线单元模型的模型参数，包括初始天线单元模型的尺寸、馈点位置等参数，而不能调整初始天线单元模型与相邻的天线单元模型之间的间距，保证调整后的初始非周期阵列天线模型组的各天线单元模型与相邻的天线单元模型的间距与步骤S202中相同。对初始非周期阵列天线模型组中初始天线单元模型的有源电压驻波比进行调整同样可以使用多种方法，例如可以采用Ansys HFSS软件的floquet模对初始非周期阵列天线模型组进行建模并仿真。当通过调整使初始非周期阵列天线模型组中所有天线单元模型的有源电压驻波比均满足设计要求，将完成的一组天线单元模型作为非周期阵列天线模型组。

步骤S201至步骤S203是为了建立非周期阵列天线模型组，该非周期阵列天线模型组中包括一组间距不同的天线模型，并且每一天线模型的有源电压驻波比均满足设计要求。相当于建立了一组天线模板，供非周期阵列天线的优化设计使用。

步骤S204，建立初始非周期阵列天线模型，初始非周期阵列天线模型中包括至少三个由初始天线单元模型组成的天线单元。

具体地，从步骤S204到步骤S208为对非周期阵列天线的设计优化过程。首先需要建立初始非周期阵列天线模型，根据阵列天线的设计需要，首先选取适合的天线单元数量以及初始天线单元的间距。初始天线单元的间距可以为根据经验得到的预设值或者将天线单元等间距排列。确定初始非周期阵列天线模型中天线单元的间距和数量后，使用步骤S201中得到的初始天线单元模型作为初始非周期阵列天线模型中的天线单元。

实际上，初始非周期阵列天线模型中天线单元的间距可以不受限制，但若根据经验值首先将初始非周期阵列天线模型中天线单元的间距设置的较为合适，则可以缩短对非周期阵列天线的优化时间。

步骤S205，使用优化算法对初始非周期阵列天线模型中天线单元的间距进行综合优化，得到优化后的非周期阵列天线模型，以使优化后的非周期阵列天线模型的方向图满足设计要求。

具体地，本步骤是对非周期阵列天线的具体优化过程，优化的目标是寻找一组最优间距值，使非周期阵列天线在设计频带范围内，方向图满足设计要求。由步骤S204中得到的初始非周期阵列天线模型开始，使用优化算法对初始非周期阵列天线模型中天线单元的间距进行综合优化，将优化算法的适应度函数设置为对非周期阵列天线方向图的设计要求，得到方向图满足设计要求优化后的非周期阵列天线模型。

本步骤中，对使用的优化算法种类不做限制，例如使用DE、GA、粒子群优化算法（Particle Swarm Optimization，PSO）等，或GA、DE、PSO等的改进算法中任一种算法。例如基于全局和邻居的差分进化算法（DE with global and local neighborhoods，DEGL）。

步骤S206，根据优化后的非周期阵列天线模型中天线单元与相邻的天线单元的间距，将优化后的非周期阵列天线模型中的每一天线单元替换为非周期阵列天线单元模型组中的天线单元模型，得到更新后的非周期阵列天线模型。

具体地，步骤S205中仅使用了优化算法对非周期阵列天线进行综合优化，但未考虑天线单元互耦的影响，本步骤中，将天线单元互耦对有源电压驻波比产生的影响进行消除。首先确定优化后的非周期阵列天线模型中每一天线单元与其相邻的天线单元的间距（设该间距为间距X），然后在步骤S203中得到的非周期阵列天线单元模型组中找到与相邻的天线单元模型间距最接近于间距X的天线单元模型，并使用找到的天线单元模型替换非周期阵列天线模型中的天线单元。即根据步骤S203中建立的模板替换优化后的非周期阵列天线模型中的天线单元。由此即可消除优化后的非周期阵列天线模型中天线单元互耦对有源电压驻波比产生的影响。由此得到更新后的非周期阵列天线模型。

步骤S207，对更新后的非周期阵列天线模型进行全波分析，若全波分析得到的方向图与优化算法得到的方向图误差超过预设阈值，则再次对更新后的非周期阵列天线模型依次进行步骤S205、步骤S206和步骤S207的处理，直到全波分析得到的方向图与优化算法得到的方向图误差不超过预设阈值。

具体地，对非周期阵列天线的设计中，使用优化算法综合优化出的结果并不十分准确，因此在本步骤中，对更新后的非周期阵列天线模型进行全波分析，可以得到更新后的非周期阵列天线模型最接近实际情况的方向图，此时对通过全波分析得到的方向图和通过优化算法得到的方向图进行比较，若两者相差过大，超过预设误差阈值，则认为通过优化算法得到的结果不够准确，需要继续对更新后的非周期阵列天线模型进行优化，具体步骤是对当前的更新后的非周期阵列天线模型重新执行步骤S205、步骤S206、步骤S207的处理，即依次对更新后的非周期阵列天线模型进行优化算法优化更新天线单元间距、天线单元替换、全波分析对比处理，直到全波分析得到的方向图与优化算法得到的方向图误差不超过预设误差阈值，即采用迭代的方法对非周期阵列天线进行优化设计。若两者相差不超过预设误差阈值，则认为通过优化算法得到的结果准确，则执行步骤S208。

步骤S208，将所述更新后的非周期阵列天线模型作为非周期阵列天线设计结果。

具体地，若通过全波分析得到的方向图和通过优化算法得到的方向图之间的误差未超过预设误差阈值，则认为通过优化算法得到的结果准确，此时将更新后的非周期阵列天线模型作为本次非周期阵列天线设计的结果输出。

本实施例，在对非周期阵列天线的设计过程中，首先建立非周期阵列天线模型组，然后使用优化算法对非周期阵列天线进行优化更新天线单元间距，并将非周期阵列天线中的天线单元替换为非周期阵列天线模型组中的天线单元模型，从而消除阵列天线单元间互耦对有源电压驻波比的影响，最后对优化后的非周期阵列天线模型进行全波分析，并对优化结果全波分析误差较大的非周期阵列天线模型进行迭代优化，由于在每次迭代的过程中，仅进行了一次全波分析，并通过建立非周期阵列天线模型组消除了由于天线互耦对有源电压驻波比的影响，从而使设计结果得到的非周期阵列天线既准确又节约优化时间。

图3为本发明实施例提供的非周期阵列天线设计方法实施例三的流程图，本实施例以非周期阵列天线为直线非周期阵列天线，非周期阵列天线设计方法用于使非周期阵列天线方向图的最大副瓣电平小于预设阈值，即对非周期阵列天线进行低副瓣设计为例对本发明提供的非周期阵列天线设计方法进行进一步说明，如图3所示，本实施例的方法包括：

步骤S301，建立初始天线单元模型，所述初始天线单元模型的方向图满足设计要求并且电压驻波比小于等于预设阈值。

具体地，非周期阵列天线是由多个天线单元组成的，因此在设计非周期阵列天线时，需要首先设计非周期阵列天线中的初始天线单元模型，为了使非周期阵列天线的方向图的最大副瓣电平小于预设阈值，在设计初始天线单元模型时，需要使初始天线单元模型的方向图满足设计要求并且电压驻波比小于等于预设阈值。由于对于一个非周期阵列天线而言，仅需要为其设计一个初始天线单元模型，为了保证后续优化设计的准确，在此可以采用全波分析的方法对初始天线单元模型进行仿真设计，使初始天线单元模型的方向图和电压驻波比在设计频带内尽量优化。对初始天线单元模型的仿真可以采用多种方法，例如可以采用Ansys HFSS软件对初始天线单元模型进行建模并仿真。

例如，本实施例需要设计一个双馈点双层微带贴片阵列天线，该阵列天线为16组天线单元组成的对称直线不等间距阵列天线，对双层微带天线单元组成的阵列天线进行优化设计，设计要求该阵列天线的工作频带为4.4GHz到5GHz，主波束扫描范围为±23°，最大副瓣电平低于-16dB。首先，在本步骤中，建立一个双馈点双层微带贴片天线单元模型，如图4A和图4B所示，图4A为双馈点双层微带贴片天线单元模型的侧视示意图，图4B为双馈点双层微带贴片天线单元模型的顶视示意图，图中x、y、z分别为互相垂直的方向。选取相对介电常数ε_r为2.65的介质基板，介质基板的尺寸为60×60mm²。介质基板41的厚度为4mm，介质基板42的厚度为3mm。在介质基板41上层为方形微带线贴片43，尺寸为14.9×14.9mm²，在介质基板42上层为方形微带线贴片44，尺寸为16.9×16.9mm²。馈电点45和馈电点46为不同极化方式的两个馈电点，均位于方形微带线贴片44上，馈电点45和馈电点46之间的垂直和水平距离均为5.64mm。在介质基板42的下层为地板47。对该天线单元的馈电点45进行仿真，仿真的单元驻波比小于等于1.5，馈电点45和馈电点46之间的隔离度在频带内大于19.5dB。将图4A和图4B所示的双馈点双层微带贴片天线单元模型作为初始天线单元模型，设需要对馈电点45进行低副瓣优化。

步骤S302，根据预设最小间距、预设最大间距和预设间距调整步长确定初始非周期阵列天线单元模型组中初始天线单元模型的数量，并将确定数量的初始天线单元模型组成初始非周期阵列天线单元模型组。

具体地，在步骤S302设计好的初始天线单元模型的基础上，建立一组由初始天线单元模型组成的初始非周期阵列天线单元模型组，该初始非周期阵列天线单元模型组中每个初始天线单元模型与相邻的天线单元模型的间距不同。由于本实施例中需要设计的是直线非周期阵列天线，因此只需设定初始天线单元模型之间的最小间距、最大间距和间距调整步长即可，然后从最小间距开始，依次增大初始天线单元模型之间的间距，将初始天线单元模型组成初始非周期阵列天线单元模型组。初始天线单元模型与相邻的天线单元模型的间距可以采用工作频段波长的不同倍数来表示。初始天线单元模型与相邻的天线单元模型的间距过小会导致耦合过于严重，而初始天线单元模型与相邻的天线单元模型的间距过大又会增大优化时间，因此需要初始天线单元模型与相邻的天线单元模型的最小间距、最大间距和间距调整步长需要根据经验值进行预设。

例如，可以将多个图4A和图4B所示的双馈点双层微带贴片天线单元模型组成初始非周期阵列天线单元模型组，其中天线单元模型与其相邻的天线单元模型的最小间距为0.4λ（λ为工作频段的波长，一般取频段的中心频率，在此，由于工作频段为4.4GHz到5GHz，因此波长λ约等于0.064米），最大间距为1.2λ，间距调整步长为0.05λ，由此可以得到由17个双馈点双层微带贴片阵列天线单元模型组成的阵列，将其作为初始非周期阵列天线单元模型组。由于天线单元模型之间的不同间距会导致天线单元模型的方向图和有源电压驻波比发生改变，如图5A和图5B所示，图5A为图4A和图4B所示的双馈点双层微带贴片天线单元模型在不同间距下的方向图，图5B为图4A和图4B所示的双馈点双层微带贴片天线单元模型在不同间距下的有源电压驻波比示意图，图5A和图5B示出由图4A和图4B所示的天线单元模型产生的方向图和馈电点45的有源电压驻波比。其中图5A示出如图4A和图4B所示的天线单元模型产生的X-Z平面的方向图，图中曲线51为与相邻的天线单元模型最小间距0.5λ的天线单元模型的方向图，曲线52为与相邻的天线单元模型最小间距0.7λ的天线单元模型的方向图，曲线53为与相邻的天线单元模型最小间距0.9λ的天线单元模型的方向图，曲线54为与相邻的天线单元模型最小间距1.1λ的天线单元模型的方向图。图5B示出如图4A和图4B所示的天线单元模型中馈电点45的有源电压驻波比，图中曲线55为与相邻的天线单元模型最小间距0.5λ的天线单元模型的有源电压驻波比，曲线56为与相邻的天线单元模型最小间距0.7λ的天线单元模型的有源电压驻波比。从图中可以看出，在不同间距的情况下，图4A和图4B所示的双馈点双层微带贴片天线单元模型的馈电点45的有源电压驻波比变化很大，因此需要对其进行调整。图5B中曲线57为与相邻的天线单元模型最小间距0.5λ的天线单元模型调整后的有源电压驻波比，曲线58为与相邻的天线单元模型最小间距0.7λ的天线单元模型调整后的有源电压驻波比。

步骤S303，对初始非周期阵列天线单元模型组中每一天线单元模型进行仿真，并调整通过仿真确定的有源电压驻波比大于预设阈值的天线单元模型的模型参数，使初始非周期阵列天线单元模型组中每一天线单元模型的有源电压驻波比均小于等于预设阈值，得到非周期阵列天线单元模型组。

具体地，初始非周期阵列天线模型组中的多个初始天线单元模型之间会由于互耦的影响导致有源电压驻波比产生变化，本步骤需要对非周期阵列天线模型组中的初始天线单元模型进行调整，使初始非周期阵列天线模型组中的所有初始天线单元模型的有源电压驻波比满足设计要求。本步骤对初始天线单元模型的调整仅限于调整各初始天线单元模型的模型参数，而不能调整初始天线单元模型与相邻的天线单元模型的间距，保证调整后的初始非周期阵列天线模型组的各天线单元模型与相邻的天线单元模型的间距与步骤S302中相同。对初始非周期阵列天线模型组中初始天线单元模型的有源电压驻波比进行调整同样可以使用多种方法，例如可以采用Ansys HFSS软件的floquet模建模仿真，对初始非周期阵列天线模型组进行建模并仿真。当通过调整使初始非周期阵列天线模型组中所有天线单元模型的有源电压驻波比均满足设计要求，将完成的一组天线单元模型作为非周期阵列天线模型组。

例如，对于由图4A和图4B所示双馈点双层微带贴片天线单元模型组成的初始非周期阵列天线单元模型组，对每个天线单元模型进行仿真，对于有源电压驻波比大于1.5的天线单元模型，通过调整方形微带线贴片43和微带线贴片44的尺寸、馈电点45和馈电点46的位置等参数使该天线单元模型的馈电点45和馈电点46的有源电压驻波比小于等于1.5。当初始非周期阵列天线单元模型组中的所有天线单元模型的有源电压驻波比都小于等于1.5时，将得到的一组天线单元模型作为非周期阵列天线单元模型组。单元模型调整前的有源电压驻波比和调整后的有源电压驻波比如图5B所示。

步骤S304，确定初始非周期阵列天线模型中天线单元的数量。

具体地，非周期阵列天线模型中的天线单元的数量根据实际天线设计需要确定，天线单元的数量越多，非周期阵列天线的性能越好，但优化速度更慢。

例如本实施例中采用16个单元组成初始非周期阵列天线模型。

步骤S305，将确定数量的天线单元按照等间距或预设间距排列为初始非周期阵列天线模型。

具体地，初始天线单元的间距可以为根据经验得到的预设值或者将天线单元等间距排列。确定初始非周期阵列天线模型中天线单元的间距和数量后，使用步骤S301中得到的初始天线单元模型作为初始非周期阵列天线模型中的天线单元。

例如本实施例中，采用等间距排列16个如图4A和图4B所示的天线单元模型，各天线单元模型之间的间距取步骤S302中最大间距和最小间距之间的中间值0.8λ、或着任意的一个间距值例如0.5λ。

步骤S306，使用优化算法对初始非周期阵列天线模型中天线单元的间距进行综合优化，得到优化后的非周期阵列天线模型，以使优化后的非周期阵列天线模型的方向图的最大副瓣电平小于预设阈值。

具体地，图6示出对称直线不等间距阵列模型示意图，如图6所示，N个天线单元沿x轴直线排列，多个天线单元分别相对于z轴对称，天线单元a_p表示沿x轴正向的第p个天线单元，天线单元a_p′表示沿x负向与天线单元a_p对称的天线单元。d_i表示相邻的天线单元之间的间距，x_i表示第i个天线单元与z轴之间的距离。整个阵列的辐射方向图可以表示为：

其中T(f,θ_d,θ)表示阵列的辐射方向图，θ_d表示阵列的主波束角，f表示频率，R_i表示第i个天线单元的辐射方向图，λ表示工作频段的波长。对阵列的优化目标是寻找一组最优间距值[d₁，d₂，…，d_N/2]，能够使整个频带范围内、主波束扫描范围内的阵列副瓣值最低。优化算法的适应度函数C可以选为最大副瓣电平的最小值，如下式所示：

其中，S表示副瓣区域。

本步骤中，对初始非周期阵列天线模型中天线单元模型与相邻的天线单元模型的间距进行优化，可以采用任一种优化算法，目的是使阵列天线的最大副瓣电平低于-16dB，最后得到优化后的非周期阵列天线模型。

图7示出对非周期阵列天线模型的优化过程图，图7中曲线71为适应度函数随优化代数变化的曲线，图7中对步骤S305中建立的初始阵列天线模型进行优化，适应度函数设置为最大副瓣电平（纵坐标），横坐标为优化代数。图7中采用的优化算法为DEGL算法，该算法利用邻居的概念，平衡了全局寻优能力和快速收敛之间的矛盾，很大程度上避免了虚假收敛和早熟问题，增加了精确定位的能力。如图7所示，在100代左右即可得到优化结果。

步骤S307，确定优化后的非周期阵列天线模型中每一天线单元与相邻的天线单元的间距。

具体地，将优化后的非周期阵列天线模型中的每一天线单元与相邻的天线单元的间距确定，便于进行替换。

步骤S308，将优化后的非周期阵列天线模型中的每一天线单元替换为非周期阵列天线单元模型组中与相邻的天线单元模型间距最接近的天线单元模型，得到更新后的非周期阵列天线模型。

具体地，针对优化后的非周期阵列天线模型中的每一天线单元，确定了其与相邻的天线单元的间距后，可以在步骤S303中得到的非周期阵列天线单元模型组中找到一个与相邻的天线单元模型间距与步骤S307确定的天线单元与相邻的天线单元的间距最接近的天线单元模型，并将非周期阵列天线模型中的每一天线单元都替换为非周期阵列天线单元模型组中相应的与相邻的天线单元模型间距最接近的天线单元模型。这样即可消除由于天线单元互耦对有源电压驻波比产生的影响，由此得到更新后的非周期阵列天线模型。

步骤S309，对更新后的非周期阵列天线模型进行全波分析，若全波分析得到的方向图与优化算法得到的方向图误差超过预设阈值，则再次对更新后的非周期阵列天线模型依次进行步骤S306、步骤S307、步骤S308和S309的处理，直到全波分析得到的方向图与优化算法得到的方向图误差不超过预设阈值。

具体地，对非周期阵列天线的设计中，使用优化算法综合优化出的结果并不十分准确，因此在本步骤中，对更新后的非周期阵列天线模型进行全波分析，可以得到更新后的非周期阵列天线模型最接近实际情况的方向图，此时对通过全波分析得到的方向图和通过优化算法得到的方向图进行比较，若两者相差过大，超过预设误差阈值，则认为通过优化算法得到的结果不够准确，需要继续对更新后的非周期阵列天线模型进行优化，具体步骤是对当前的更新后的非周期阵列天线模型重新执行步骤S306、步骤S307、步骤S38和S309的处理，即依次对更新后的非周期阵列天线模型进行优化算法优化、天线单元替换、全波分析对比处理，直到全波分析得到的方向图与优化算法得到的方向图误差不超过预设误差阈值，即采用迭代的方法对非周期阵列天线进行优化设计。若两者相差不超过预设误差阈值，则认为通过优化算法得到的结果准确，则执行步骤S310。

将每次依次执行步骤S306、S307、S308和S309的处理称为一次迭代的过程，图8A至图8F示出对由图4A和图4B组成的阵列天线模型进行优化和仿真过程的曲线对比图，图8A至图8F分别示出第一次至第六次迭代处理后优化结果和全波分析结果的阵列方向图对比。如图8A至图8F所示，曲线801至曲线806为在第一次至第六次迭代过程中通过优化算法得到的数值计算结果的阵列方向图，曲线807至曲线812分别为在第一次至第六次迭代过程中通过全波分析得到的阵列方向图。从图中可以看出，随着迭代次数的增加，优化算法得到的结果与仿真结果逐渐接近。

步骤S310，将更新后的非周期阵列天线模型作为非周期阵列天线设计结果。

具体地，若通过全波分析得到的方向图和通过优化算法得到的方向图之间的误差未超过预设误差阈值，则认为通过优化算法得到的结果准确，此时将更新后的非周期阵列天线模型作为本次非周期阵列天线设计的结果输出。

例如在本实施例的具体例子中，通过六次迭代得到了非周期阵列天线的设计结果，在此分别选择4.4GHz、4.7GHz和5GHz情况下，阵列主波束扫描角为0°、10°和23°时阵列天线方向图的变化情况。图9A至图9I示出由图4A和图4B所示的双馈点双层微带贴片天线单元模型组成的阵列天线模型进行优化和仿真结果的曲线对比图，如图9A至图9I所示，曲线901至曲线909为优化算法得到的数值计算结果的阵列方向图，曲线910至曲线918为在通过全波分析得到的阵列方向图。其中曲线图9A为4.4GHz，主波束扫描角为0°时的阵列方向图，曲线图9B为4.7GHz，主波束扫描角为0°时的阵列方向图，曲线图9C为5GHz，主波束扫描角为0°时的阵列方向图，曲线图9D为4.4GHz，主波束扫描角为10°时的阵列方向图，曲线图9E为4.7GHz，主波束扫描角为10°时的阵列方向图，曲线图9F为5GHz，主波束扫描角为10°时的阵列方向图，曲线图9G为4.4GHz，主波束扫描角为23°时的阵列方向图，曲线图9H为4.7GHz，主波束扫描角为23°时的阵列方向图，曲线图9I为5GHz，主波束扫描角为23°时的阵列方向图。从图中可以看出，优化算法和全波分析得到的方向图基本一致，并且阵列方向图满足设计结果。

本实施例，在对非周期阵列天线的设计过程中，首先建立非周期阵列天线模型组，然后使用优化算法对非周期阵列天线进行优化更新间距，并将非周期阵列天线中的天线单元替换为非周期阵列天线模型组中的天线单元模型，从而消除阵列天线单元间互耦对有源电压驻波比的影响，最后对优化后的非周期阵列天线模型进行全波分析，并对优化结果全波分析误差较大的非周期阵列天线模型进行迭代优化，由于在每次迭代的过程中，仅进行了一次全波分析，并通过建立非周期阵列天线模型组消除了由于天线互耦对有源电压驻波比的影响，从而使设计结果得到的非周期阵列天线既准确又节约优化时间。

进一步地，上述各实施例中，采用的优化算法可以为任一种优化算法，例如GA、DE、PSO等或GA、DE、PSO等的改进算法中任一种算法。

进一步地，上述各实施例中，对天线单元或阵列进行全波仿真可以使用任一种仿真方法，例如使用Ansys HFSS软件进行建模仿真。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种非周期阵列天线设计方法，其特征在于，包括：

建立非周期阵列天线单元模型组，所述非周期阵列天线单元模型组用于作为非周期阵列天线中天线单元的模板组合，所述非周期阵列天线单元模型组中包括至少两个天线单元模型，其中每个天线单元模型与相邻的天线单元模型的间距均不同，并且每个天线单元模型的方向图和有源电压驻波比均满足设计要求；

建立初始非周期阵列天线模型，所述初始非周期阵列天线模型中包括至少三个天线单元；

对所述初始非周期阵列天线模型依次循环使用优化算法综合优化、根据优化结果更新所述非周期阵列天线模型并使用所述非周期阵列天线单元模型组中的天线单元模型更新天线单元、全波分析处理，当在一次循环处理过程中使用所述优化算法得到的方向图和使用全波分析得到的方向图误差不超过预设阈值时，得到非周期阵列天线的设计结果；所述优化算法的适应度函数为对非周期阵列天线方向图的设计要求；

所述优化算法包括遗传算法GA、差分进化DE、粒子群优化算法PSO或所述GA、DE、PSO的改进算法中任一种算法。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立非周期阵列天线单元模型组，所述非周期阵列天线单元模型组用于作为非周期阵列天线中天线单元的模板组合，所述非周期阵列天线单元模型组中包括至少两个天线单元模型，其中每个天线单元模型与相邻的始天线单元模型的间距均不同，并且每个天线单元模型的方向图和有源电压驻波比均满足设计要求，包括：

步骤A：建立初始天线单元模型，所述初始天线单元模型的方向图和电压驻波比满足设计要求；

步骤B：建立初始非周期阵列天线单元模型组，所述初始非周期阵列天线单元模型组中包括至少两个初始天线单元模型，其中每个初始天线单元模型与相邻的初始天线单元模型的间距均不同；

步骤C：调整所述初始非周期阵列天线单元模型组中天线单元模型的模型参数，使所述初始非周期阵列天线单元模型组中每一天线单元模型的有源电压驻波比均满足设计要求，得到所述非周期阵列天线单元模型组；

所述建立初始非周期阵列天线模型，所述初始非周期阵列天线模型中包括至少三个天线单元，包括：

步骤D：建立所述初始非周期阵列天线模型，所述初始非周期阵列天线模型中包括至少三个由所述初始天线单元模型组成的天线单元；

所述对所述初始非周期阵列天线模型依次循环使用优化算法综合优化、根据优化结果更新所述非周期阵列天线模型并使用所述非周期阵列天线单元模型组中的天线单元模型更新天线单元、全波分析处理，当在一次循环处理过程中使用所述优化算法得到的方向图和使用全波分析得到的方向图误差不超过预设阈值时，得到非周期阵列天线的设计结果，包括：

步骤E：使用优化算法对所述初始非周期阵列天线模型中天线单元的间距进行综合优化，得到优化后的非周期阵列天线模型，以使所述优化后的非周期阵列天线模型的方向图满足设计要求；

步骤F：根据所述优化后的非周期阵列天线模型中天线单元与相邻的天线单元的间距，将所述优化后的非周期阵列天线模型中的每一天线单元替换为所述非周期阵列天线单元模型组中的天线单元模型，得到更新后的非周期阵列天线模型；

步骤G：对所述更新后的非周期阵列天线模型进行全波分析，若所述全波分析得到的方向图与所述优化算法得到的方向图误差超过预设阈值，则再次对所述更新后的非周期阵列天线模型依次进行所述步骤E、步骤F和步骤G的处理，直到所述全波分析得到的方向图与所述优化算法得到的方向图误差不超过预设阈值；

步骤H：将所述更新后的非周期阵列天线模型作为非周期阵列天线设计结果。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述非周期阵列天线为直线非周期阵列天线，所述非周期阵列天线设计方法用于使所述非周期阵列天线方向图的最大副瓣电平小于预设阈值；

所述步骤A包括：

建立初始天线单元模型，所述初始天线单元模型的方向图满足设计要求并且电压驻波比小于等于预设阈值；

所述步骤B包括：

根据预设最小间距、预设最大间距和预设间距调整步长确定所述初始非周期阵列天线单元模型组中初始天线单元模型的数量，并将确定数量的初始天线单元模型组成所述初始非周期阵列天线单元模型组；

所述步骤C包括：

对所述初始非周期阵列天线单元模型组中每一天线单元模型进行仿真，并调整通过仿真确定的有源电压驻波比大于预设阈值的天线单元模型的模型参数，使所述初始非周期阵列天线单元模型组中每一天线单元模型的有源电压驻波比均小于等于预设阈值，得到所述非周期阵列天线单元模型组；

所述步骤D包括：

确定所述初始非周期阵列天线模型中天线单元的数量；

将确定数量的天线单元按照等间距或预设间距排列为初始非周期阵列天线模型；

所述步骤E包括：

使用优化算法对所述初始非周期阵列天线模型中天线单元的间距进行综合优化，得到优化后的非周期阵列天线模型，以使所述优化后的非周期阵列天线模型的方向图的最大副瓣电平小于预设阈值；

所述步骤F包括：

确定所述优化后的非周期阵列天线模型中每一天线单元与相邻的天线单元的间距；

将所述优化后的非周期阵列天线模型中的每一天线单元替换为所述非周期阵列天线单元模型组中与相邻的天线单元模型间距最接近的天线单元模型，得到所述更新后的非周期阵列天线模型。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述非周期阵列天线为对称直线非周期阵列天线。