CN106921047A - 一种波导馈电全金属双极化平板天线阵列及其优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种波导馈电全金属双极化平板天线阵列及其优化方法，涉及通信和雷达领域，天线阵列采用2×2子阵天线，每个2×2子阵天线均包括底馈层、侧馈层、谐振腔层和辐射腔层，底馈层和侧馈层的馈电网络采用多级T型结构E面波导级联方式，谐振腔层采用三层阶梯腔体形式，辐射腔层由交叉宽缝结构组成，2×2子阵天线作为基本单元横向复制组成整个天线阵列，并提供一种通过差分进化算法的交叉和变异操作对所述天线进行优化的方法，由于平板天线的辐射体为交叉宽缝结构，通过调整缝的位置可以改变天线口面电场分布，从而改善方向图特性，优化方法在天线设计过程中的应用，可以调高天线设计的效率性，有效性和最优实现特性。

Description

一种波导馈电全金属双极化平板天线阵列及其优化方法

技术领域

本发明涉及通信和雷达领域，尤其是一种双极化平板天线及其优化方法。

背景技术

随着现代无线通信事业的发展，对卫星通信天线的要求也越来越高，要求卫星通信天线具备重量轻、剖面低、性能高、便携性等特点。传统的抛物面天线由于其自身结构特点，不可能做到体积很小，而且抛物面天线由于其精度要求较高，因此对于抛物面天线，不可能将其天线面拆分成很多部分，而且这对于操作人员的技术要求比较高，如果装配精度不达标，也会导致天线性能不达标。于是平板天线便应运而生了，平板天线相比于反射面天线，具有良好的机械强度性能，紧凑的天线结构，易于与射频前段进行组合等优势，以其尺寸小，重量轻，轮廓低，高效率，携带方便等优点，也越来越广泛地应用到卫星、飞机、车辆及个人背负通信及雷达系统中。

然而市面上平板天线的远区副瓣(实际是栅瓣)较高，尤其是天线单元间距较大时，问题尤其突出。

发明内容

为了克服现有技术的不足，针对目前平板天线板天线的远区副瓣较高的不足，本发明提出了一种带有栅瓣抑制性能的宽带高效率双极化平板阵列天线，为了更加高效的得到所需结果，本发明还提出了针对这种平板天线的优化方法。

本发明所提供的波导馈电全金属双极化平板天线采用2×2子阵天线，每个2×2子阵天线均采用四层结构，四层结构包括底馈层、侧馈层、谐振腔层和辐射腔层，底馈层和侧馈层的馈电网络采用多级T型结构E面波导级联方式，馈电主波导末端为同轴波导转换结构，底馈层和侧馈层的馈电网络中的每个T型结构都均为台阶和凹槽形状，台阶位于T型结构主波导两侧，台阶关于主波导中心线对称，每个T型结构中的台阶初始为一级，当阻抗匹配无法满足时台阶增加为两级，台阶依次递增，T型结构的凹槽位于T型结构与主波导口正对的分支波导，凹槽宽度与T型结构的波导宽度相同，底馈层的馈电单元末端通过弯波导结构与耦合腔相接，侧馈层的馈电单元与耦合腔相连，底馈层和侧馈层之间的L型台阶结构形成耦合腔，耦合腔正对馈电波导口面的为长方形调谐槽，谐振腔层采用三层阶梯腔体形式，阶梯第三层为交叉宽缝的边缘结构，与辐射腔层相连，辐射腔层由等距2×2的4个交叉宽缝结构组成，实现天线口面场的辐射，将2×2子阵天线作为基本单元横向复制2n*2m个单元平面摆放从而组成整个天线阵列，其中n、m取值为正整数。

本发明所提供的波导馈电全金属双极化平板天线单元的优化方法包括以下步骤：

第一步：选取天线单元中需优化的尺寸参数

将需优化的参数包括缝隙宽度、缝隙位置、辐射缝隙层高度、阶梯腔体高度、各阶梯的宽度、耦合腔体中调谐块的三维尺寸、长方体调谐槽的宽度、侧面馈电处台阶尺寸、底面馈电弯波导切角尺寸和对应的天线尺寸分别选取对应的参数p₁,p₂,…p_N；

第二步，明确天线优化目标并建立差分进化算法的目标函数

天线优化的目标包括天线带宽内的电压驻波比V_o、天线方向图增益G_o和出现栅瓣角度天线单元的相对电平值GLL_o；

确立差分进化算法的目标函数，目标函数fitness(p₁,p₂,…p_n)为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分别为目标子函数f₁、f₂、f₃的权重；

其中，p₁,p₂,…p_n为n个对应的天线参数，Nfreq为频率采样点个数，VSWR(p₁,p₂,…p_n,m)为第m个频率点天线参数为p₁,p₂,…p_n时的电压驻波比，Gain(p₁,p₂,…p_n,m)为第m个频率点天线参数为p₁,p₂,…p_n时的增益值， 为第m个频率点天线参数为p₁,p₂,…p_n时在θ＝±θ_m时的相对增益dB值，其中θ_m为扫描角度，Gain(p₁,p₂,…p_n,m,±θ_m)第m个频率点天线参数为p₁,p₂,…p_n时在θ＝±θ_m时的增益dB值，Gain(p₁,p₂,…p_n,m,0)第m个频率点天线参量参数值为p₁,p₂,…p_n时在θ＝0o时的增益值；

第三步：天线尺寸及电性能参数初值的产生

利用差分进化算法随机产生M组天线尺寸，对每一组天线尺寸，利用FE-BI分析当天线参数为特定参数p₁,p₂,…p_N时的电性能参数，电性能参数即天线带宽内的电压驻波比V_o、天线方向图增益G_o和出现栅瓣角度天线单元的相对电平值GLL_o；

第四步：对天线尺寸及电性能参数进行优化

根据第二步中目标函数计算M个目标函数值，取最小值作为当代最优结果，如果最小值等于0则结束优化，如果最小值大于0则进入第五步；

第五步：进行差分进化算法的交叉和变异操作

使用差分进化算法的交叉操作和变异操作产生新一代的M组天线尺寸，重复第四步的操作，直到M个目标函数值均等于0，保存此时的天线尺寸参数为最优结果并结束优化循环操作。

本发明的有益效果是由于平板天线的辐射体为交叉宽缝结构，通过调整缝的位置可以改变天线口面电场分布，从而改善方向图特性；优化方法在天线设计过程中的应用，可以调高天线设计的效率性，有效性和最优实现特性；谐振腔采用阶梯腔体形式从而可以实现宽带内的匹配，耦合腔中加入调谐块，更加易于进一步调整天线阻抗匹配；在耦合腔侧馈实现一种极化，底馈实现另一种极化，侧馈口处有台阶结构实现阻抗匹配，底馈处加有弯波导结构便于馈电网络设计；本天线在馈电结构中采用加入台阶和凹槽结构的方法展宽同轴波导转换结构的带宽，该设计中没有斜面结构，更方便与普通机床加工，降低加工成本。

附图说明

图1本发明结构组成示意图。

图2为本发明分层结构示意图。

图3为本发明2×2子阵单元示意图。

图4为本发明2×2单元y-向极化馈电结构示意图。

图5为本发明2×2单元x-向极化馈电结构示意图。

图6为本发明单元优化设计流程图。

其中，1-辐射缝隙；2-2×2子阵单元；3-阶梯腔体；4-耦合腔；5-y-向极化馈电网络；6-x-向极化馈电网络；7-阶梯腔体中阶梯；8-同轴波导转换结构；9-辐射腔层；10-谐振腔层；11-侧馈层；12-底馈层；13-y-向极化馈电端口；14-x-向极化馈电端口；15-耦合腔中调谐块；16-底馈馈电中弯波导结构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明所提供的波导馈电全金属双极化平板天线采用2×2子阵天线，每个2×2子阵天线均采用四层结构，四层结构包括底馈层、侧馈层、谐振腔层和辐射腔层，底馈层和侧馈层的馈电网络采用多级T型结构E面波导级联方式，馈电主波导末端为同轴波导转换结构，底馈层和侧馈层的馈电网络中的每个T型结构都均为台阶和凹槽形状，台阶位于T型结构主波导两侧，台阶关于主波导中心线对称，每个T型结构中的台阶初始为一级，当阻抗匹配无法满足时台阶增加为两级，台阶依次递增，T型结构的凹槽位于T型结构与主波导口正对的分支波导，凹槽宽度与T型结构的波导宽度相同，底馈层的馈电单元末端通过弯波导结构与耦合腔相接，侧馈层的馈电单元与耦合腔相连，底馈层和侧馈层之间的L型台阶结构形成耦合腔，耦合腔正对馈电波导口面的为长方形调谐槽，谐振腔层采用三层阶梯腔体形式，阶梯第三层为交叉宽缝的边缘结构，与辐射腔层相连，辐射腔层由等距2×2的4个交叉宽缝结构组成，实现天线口面场的辐射，将2×2子阵天线作为基本单元横向复制2n*2m个单元平面摆放从而组成整个天线阵列，其中n、m取值为正整数。

本发明所提供的波导馈电全金属双极化平板天线单元的优化方法包括以下步骤：

第一步：选取天线单元中需优化的尺寸参数

将需优化的参数包括缝隙宽度、缝隙位置、辐射缝隙层高度、阶梯腔体高度、各阶梯的宽度、耦合腔体中调谐块的三维尺寸、长方体调谐槽的宽度、侧面馈电处台阶尺寸、底面馈电弯波导切角尺寸和对应的天线尺寸分别选取对应的参数p₁,p₂,…p_N；

第二步，明确天线优化目标并建立差分进化算法的目标函数

天线优化的目标包括天线带宽内的电压驻波比V_o、天线方向图增益G_o和出现栅瓣角度天线单元的相对电平值GLL_o；

确立差分进化算法的目标函数，目标函数fitness(p₁,p₂,…p_n)为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分别为目标子函数f₁、f₂、f₃的权重；

其中，p₁,p₂,…p_n为n个对应的天线参数，Nfreq为频率采样点个数，VSWR(p₁,p₂,…p_n,m)为第m个频率点天线参数为p₁,p₂,…p_n时的电压驻波比，Gain(p₁,p₂,…p_n,m)为第m个频率点天线参数为p₁,p₂,…p_n时的增益值， 为第m个频率点天线参数为p₁,p₂,…p_n时在θ＝±θ_m时的相对增益dB值，其中θ_m为扫描角度，Gain(p₁,p₂,…p_n,m,±θ_m)第m个频率点天线参数为p₁,p₂,…p_n时在θ＝±θ_m时的增益dB值，Gain(p₁,p₂,…p_n,m,0)第m个频率点天线参量参数值为p₁,p₂,…p_n时在θ＝0o时的增益值；

第三步：天线尺寸及电性能参数初值的产生

利用差分进化算法随机产生M组天线尺寸，对每一组天线尺寸，利用FE-BI分析当天线参数为特定参数p₁,p₂,…p_N时的电性能参数，电性能参数即天线带宽内的电压驻波比V_o、天线方向图增益G_o和出现栅瓣角度天线单元的相对电平值GLL_o；

第四步：对天线尺寸及电性能参数进行优化

根据第二步中目标函数计算M个目标函数值，取最小值作为当代最优结果，如果最小值等于0则结束优化，如果最小值大于0则进入第五步；

第五步：进行差分进化算法的交叉和变异操作

使用差分进化算法的交叉操作和变异操作产生新一代的M组天线尺寸，重复第四步的操作，直到M个目标函数值均等于0，保存此时的天线尺寸参数为最优结果并结束优化循环操作。

如图1所示，此宽带平板天线阵列自上而下包括：辐射缝隙层，具有阶梯的谐振腔体，耦合腔体和两个极化的馈电网络。耦合腔体中具有台阶和调谐块结构进行阻抗匹配。X-向极化馈电结构中采用弯波导便于馈电网络设计，馈电网络末端有同轴波导转换，同轴波导转换结构中含有台阶和凹槽结构满足宽带宽需求。

如图2所示，为实际加工中机械加工结构的分层结构示意图，天线包含四层，自上而下分别为：第一层辐射缝隙层，第二层包括阶梯腔体体层，耦合腔体层和y-向极化馈电层，第三层为y-向极化馈电网络层和x-向极化馈电网络层，第四层为x-向极化馈电网络层。

如图3所示，天线的2×2子阵结构为所述天线阵的最基本单元。

如图4所示，天线阵的侧馈层产生了y-向极化电磁波，又称y-向极化馈电层，图4则画出了2×2单元y-向极化馈电结构基本单元。

如图5所示，天线底馈层的弯波导结构产生了x-向极化电磁波，又称x-向极化馈电层，弯波导结构则是底馈层与耦合腔层的连接部分。

辐射缝隙层为交叉矩形结构，2×2个组成一个单元，与下面的阶梯谐振腔体层，耦合腔体层相对应，阶梯谐振腔体层起到耦合腔体层到2×2个交叉宽缝过渡的作用，耦合腔体层中具有台阶和谐振块结构用于阻抗匹配，通过从耦合腔体侧面和底部进行馈电，可以实现天线双极化。

底部馈电为x-向极化，侧面馈电为y-向极化，底部馈电结构中包含有弯波导结构便于馈电网络设计，馈电网络末端，有一个同轴波导转换结构，将波导馈电转化为SMA同轴馈电，同轴波导转换结构中有一个台阶和凹槽结构进行宽带阻抗匹配。

如图6所示，天线单元利用FE-BI和差分进化算法进行优化设计，提取最优天线结构参数。本发明中降低栅瓣双极化平板天线要求的优化目标是频率在12.25GHz-14.5GHz的范围内，实现天线增益13dB，栅瓣小于-15dB；这时需要优化的天线参数包括缝隙宽度，缝隙位置，辐射缝隙层高度，阶梯腔体高度，各阶梯的宽度，耦合腔体中长方体调谐块的三维尺寸，位置，侧面馈电处台阶尺寸，底面馈电弯波导切角尺寸等。建立差分进化算法目标函数，由于本次优化对天线电压驻波比的要求最高，增益次之，栅瓣要求最低，所以各项权重值α＝10，β＝5，γ＝1，然后选取12.25GHz-14.5GHz频带范围内以0.05GHz为步长，选取频率采样点的个数NFreq＝46，栅瓣角度在初始仿真后得出，栅瓣出现在θ＝±θ_m＝±40deg，在这些条件下，利用本发明得到各个结构参数的最优值，最终得到在频率12.25GHz-14.5GHz的范围内两个端口的驻波皆小于1.5，而增益则达到了13.36dB，栅瓣为-18.06dB，基本满足了设计要求。

Claims (2)

1.一种波导馈电全金属双极化平板天线阵列，其特征在于：

本发明所提供的波导馈电全金属双极化平板天线采用2×2子阵天线，每个2×2子阵天线均采用四层结构，四层结构包括底馈层、侧馈层、谐振腔层和辐射腔层，底馈层和侧馈层的馈电网络采用多级T型结构E面波导级联方式，馈电主波导末端为同轴波导转换结构，底馈层和侧馈层的馈电网络中的每个T型结构都均为台阶和凹槽形状，台阶位于T型结构主波导两侧，台阶关于主波导中心线对称，每个T型结构中的台阶初始为一级，当阻抗匹配无法满足时台阶增加为两级，台阶依次递增，T型结构的凹槽位于T型结构与主波导口正对的分支波导，凹槽宽度与T型结构的波导宽度相同，底馈层的馈电单元末端通过弯波导结构与耦合腔相接，侧馈层的馈电单元与耦合腔相连，底馈层和侧馈层之间的L型台阶结构形成耦合腔，耦合腔正对馈电波导口面的为长方形调谐槽，谐振腔层采用三层阶梯腔体形式，阶梯第三层为交叉宽缝的边缘结构，与辐射腔层相连，辐射腔层由等距2×2的4个交叉宽缝结构组成，实现天线口面场的辐射，将2×2子阵天线作为基本单元横向复制2n*2m个单元平面摆放从而组成整个天线阵列，其中n、m取值为正整数。

2.一种权利要求1所述波导馈电全金属双极化平板天线阵列的优化方法，其特征在于包括下述步骤：

第一步：选取天线单元中需优化的尺寸参数

将需优化的参数包括缝隙宽度、缝隙位置、辐射缝隙层高度、阶梯腔体高度、各阶梯的宽度、耦合腔体中调谐块的三维尺寸、长方体调谐槽的宽度、侧面馈电处台阶尺寸、底面馈电弯波导切角尺寸和对应的天线尺寸分别选取对应的参数p₁,p₂,…p_N；

第二步，明确天线优化目标并建立差分进化算法的目标函数

天线优化的目标包括天线带宽内的电压驻波比V_o、天线方向图增益G_o和出现栅瓣角度天线单元的相对电平值GLL_o；

确立差分进化算法的目标函数，目标函数fitness(p₁,p₂,…p_n)为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分别为目标子函数f₁、f₂、f₃的权重；

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

其中，p₁,p₂,…p_n为n个对应的天线参数，Nfreq为频率采样点个数，VSWR(p₁,p₂,…p_n,m)为第m个频率点天线参数为p₁,p₂,…p_n时的电压驻波比，Gain(p₁,p₂,…p_n,m)为第m个频率点天线参数为p₁,p₂,…p_n时的增益值， 为第m个频率点天线参数为p₁,p₂,…p_n时在θ＝±θ_m时的相对增益dB值，其中θ_m为扫描角度，Gain(p₁,p₂,…p_n,m,±θ_m)第m个频率点天线参数为p₁,p₂,…p_n时在θ＝±θ_m时的增益dB值，Gain(p₁,p₂,…p_n,m,0)第m个频率点天线参量参数值为p₁,p₂,…p_n时在θ＝0o时的增益值；

第三步：天线尺寸及电性能参数初值的产生

利用差分进化算法随机产生M组天线尺寸，对每一组天线尺寸，利用FE-BI分析当天线参数为特定参数p₁,p₂,…p_N时的电性能参数，电性能参数即天线带宽内的电压驻波比V_o、天线方向图增益G_o和出现栅瓣角度天线单元的相对电平值GLL_o；

第四步：对天线尺寸及电性能参数进行优化

根据第二步中目标函数计算M个目标函数值，取最小值作为当代最优结果，如果最小值等于0则结束优化，如果最小值大于0则进入第五步；

第五步：进行差分进化算法的交叉和变异操作

使用差分进化算法的交叉操作和变异操作产生新一代的M组天线尺寸，重复第四步的操作，直到M个目标函数值均等于0，保存此时的天线尺寸参数为最优结果并结束优化循环操作。