CN110287539B - 一种波导缝隙阵列天线自动设计及优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种波导缝隙阵列天线自动设计及优化方法，依据波导缝隙阵列天线的设计理论，通过MATLAB中一系列程序的执行，控制HFSS实现建模仿真操作；并依赖于MATLAB强大的数值计算能力，与HFSS的仿真计算联合，实现天线的自动优化；通过MATLAB GUI设计得到软件的操作界面，使整体流程更加清晰；同时调用MATLAB的COM组件，控制Microsoft Word对优化过程进行自动记录，供设计者监测天线的优化结果。

Description

一种波导缝隙阵列天线自动设计及优化方法

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种波导缝隙阵列天线自动设计及优化方法。

背景技术

波导缝隙阵列天线是一种较为成熟的天线形式，由于其独有的天然优势，如：结构紧凑、重量轻、可靠性高，能在狭小的空间内安装，功率容量大、口径效率高，容易实现低副瓣、窄波束和波束赋形等等特点，使得波导缝隙阵列天线在雷达、导航、探测等方面得到了广泛的应用。现阶段，电磁仿真软件已经深入于各种天线的设计过程当中，Ansoft HFSS是最具代表性的电磁仿真软件之一。但对于波导缝隙阵列天线而言，在缝隙数目较多时，无论是设计、调试还是优化的过程当中，都不可避免地需要不断地更改缝隙参数；而这个重复性更改的过程，如果始终由人工的方式来实现，一方面消耗了很多不必要的设计时间，另一方面有很大可能会引入人为造成的误差甚至错误，这对于设计的准确性和效率的影响是负面的。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免波导缝隙阵列天线设计过程中可能由人为因素导致的误差，并进一步提升天线设计效率，本发明提出了一种波导缝隙阵列天线自动设计及优化方法。

技术方案

一种波导缝隙阵列天线自动设计及优化方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：根据阵列方向图综合理论，在MATLAB中编写适用于对波导缝隙阵列天线进行泰勒方向图综合的相应程序，并辅之以GUI操作界面，采用定参数化的方式，所述的参数包括频率、波导尺寸、缝隙数目、缝隙间距、副瓣电平和等副瓣数；若为行波阵，还需增加末端缝隙归一化导纳；若为驻波阵，还需增加馈电方式；输入给定的参数即可获取理想缝隙激励分布与理想缝隙导纳分布，并将其存储下来；

步骤2：再建GUI操作界面补充建模所需的相应参数，所述的相应参数包括缝隙宽度和波导壁厚，若为驻波阵，还需增加馈电方式，如果为中心馈电方式，还需输入同轴内、外半径；并选择待生成模型的存储路径和HFSS软件执行文件路径；然后设定缝隙具体尺寸：若为窄边倾斜缝，则为倾角和切深的扫描范围和扫描步进；若为宽边偏置缝，则为偏置和缝长的扫描范围和扫描步进；进而通过MATLAB编写的vbs脚本访问HFSS的API接口，依据本步骤各参数在HFSS中建立包含若干个相同缝隙的缝隙导纳参数提取模型；

步骤3：在每次打开HFSS加载的缝隙导纳参数提取模型时，对其中一个参数进行更改，运行完成后退出HFSS且不保存结果；在每次HFSS加载完成后对另一个参数进行扫参；导纳参数提取完成，通过MATLAB计算即可得到缝隙谐振长度矩阵以及导纳关系曲线；

步骤4：根据步骤1得到的理想缝隙导纳分布，在步骤3得到的导纳关系曲线中，通过MATLAB比对导纳关系曲线上纵坐标与理想导纳差值最小的点，读取出该点的横坐标，即缝隙的倾角或偏置，在缝隙谐振长度矩阵中即可读取出相应的切深或缝长；重复上述操作，直至得到阵列中所有缝隙的倾角或偏置和切深或缝长，使用MATLAB编写vbs脚本来控制HFSS实现完整的阵列建模及仿真远场方向图，如远场方向图副瓣电平不满足指标要求，需进行下一步优化；

步骤5：使用MATLAB编写vbs脚本来控制HFSS，在完整阵列模型中将近场参考线直接建立在各缝隙的中心，把缝隙的实际激励电场提取出来，取其模值并归一化作为实际激励电压，然后使用实际激励电压在MATLAB中计算出实际的缝隙导纳，与理想缝隙导纳做差，其差值在导纳关系曲线上所对应的横坐标差即为缝隙倾角或偏置需要调整的量，在缝隙谐振长度矩阵读取出相应的调整后的切深或缝长；通过反复调整缝隙尺寸，优化缝隙的实际导纳分布，使实际激励电压迫近理想电压分布，从而间接优化天线远场辐射方向图。

步骤5中利用MATLAB的COM组件访问并控制Microsoft Word，将每一次调整后的实际导纳分布曲线和远场方向图导出至Word文档，以实现优化报告记录和优化过程监测，使得实际缝隙导纳迫近理性缝隙导纳。

有益效果

本发明提出的一种波导缝隙阵列天线自动设计及优化方法，集成了包括波导缝隙驻波阵和行波阵在内的完整设计过程，立足于波导缝隙阵列天线的设计理论，以MATLAB软件和HFSS的API接口为核心实现自动化，辅以GUI设计和Word自动调用，使设计过程和优化过程更加清晰便捷；建立了“等效导纳法”的波导缝隙阵列天线自动优化算法，并将其嵌入至自动设计软件当中，其优化效果具有高效率和高可靠性。该软件简化了天线设计流程，提高了天线设计效率，同时大大避免了人为因素对设计可能带来的负面影响。

附图说明

图1波导缝隙阵列天线自动设计软件系统框图

图2泰勒方向图综合界面：(a)行波阵、(b)驻波阵

图3波导窄边倾斜缝隙行波阵设计界面

图4波导宽边偏置缝隙行波阵设计界面

图5泰勒综合的组阵面方向图和归一化缝隙激励分布

图6归一化缝隙导纳分布

图7缝隙导纳与缝隙倾角关系曲线

图8波导缝隙行波阵初始模型的归一化远场方向图

图9波导缝隙行波阵低副瓣优化设计界面

图10初始模型理论近场与实际近场相位曲线对比结果

图11优化后理论近场与实际近场相位曲线对比结果

图12相位优化后的理想缝隙导纳分布

图13“等效导纳法”优化流程图

图14优化后的实际导纳曲线与理论导纳曲线对比

图15优化后的远场方向图与初始模型远场方向图对比

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明依据波导缝隙阵列天线的设计理论，通过MATLAB中一系列程序的执行，控制HFSS实现建模仿真操作；并依赖于MATLAB强大的数值计算能力，与HFSS的仿真计算联合，实现天线的自动优化；通过MATLAB GUI设计得到软件的操作界面，使整体流程更加清晰；同时调用MATLAB的COM组件，控制Microsoft Word对优化过程进行自动记录，供设计者监测天线的优化结果。其具体步骤如下：

步骤1：根据阵列方向图综合理论，在MATLAB中编写适用于对波导缝隙阵列天线进行泰勒方向图综合的相应程序，并辅之以GUI操作界面，采用定参数化的方式，所述的参数包括频率、波导尺寸、缝隙数目、缝隙间距、副瓣电平和等副瓣数；若为行波阵，还需增加末端缝隙归一化导纳；若为驻波阵，还需增加馈电方式；输入给定的参数即可获取理想缝隙激励分布与理想缝隙导纳分布，并将其存储下来；

步骤2：在GUI操作界面中补充建模所需的相应参数，所述的相应参数包括缝隙宽度和波导壁厚，若为驻波阵，还需增加馈电方式，如果为中心馈电方式，还需输入同轴内、外半径；并选择待生成模型的存储路径和HFSS软件执行文件路径；然后设定缝隙具体尺寸：若为窄边倾斜缝，则为倾角和切深的扫描范围和扫描步进；若为宽边偏置缝，则为偏置和缝长的扫描范围和扫描步进；进而通过MATLAB编写的vbs脚本访问HFSS的API接口，依据本步骤各参数在HFSS中建立包含若干个相同缝隙的缝隙导纳参数提取模型；

步骤3：对于波导缝隙而言，其倾角(或偏置)与切深(或缝长)是影响其等效导纳的两个关键尺寸参数。提取导纳参数的过程按照“逐次改变一个参数，扫描另一参数”的原则来进行：在每次打开HFSS加载模型时对其中一个参数进行自动更改，运行完成后退出HFSS且不保存结果，避免结果文件过大影响模型加载速度；只在每次HFSS加载完成后对另一个参数进行自动扫参，从而将原本的二维扫参降低为一维扫参，减小了对计算机内存的压力；导纳参数提取完成，通过MATLAB计算即可得到缝隙谐振长度以及导纳关系曲线这两个关键结果；

步骤4：根据以上过程，即可对完整阵列进行一键自动建模和仿真分析，得到完整的阵列模型和仿真结果。如需优化阵列远场方向图的副瓣电平，则可进入下一步。

步骤5：本发明中采用“等效导纳法”对阵列的远场方向图进行间接优化。使用MATLAB编写vbs脚本来控制HFSS，在完整阵列模型中将近场参考线直接建立在各缝隙的中心，把缝隙的实际激励电场提取出来，取其模值并归一化作为实际激励电压，然后使用实际激励电压在MATLAB中计算出实际的缝隙导纳，与理想缝隙导纳做差，其差值在导纳关系曲线上所对应的横坐标差即为缝隙倾角或偏置需要调整的量，在缝隙谐振长度矩阵读取出相应的调整后的切深或缝长；通过反复调整缝隙尺寸，优化缝隙的实际导纳分布，在此过程中利用MATLAB的COM组件访问并控制Microsoft Word，将每一次调整后的实际导纳分布曲线和远场方向图导出至Word文档，以实现优化报告记录和优化过程监测，使得实际缝隙导纳迫近理性缝隙导纳，进而使实际激励电压迫近理想电压分布，从而间接优化天线远场辐射方向图。

实施例：

如图1所示，设计流程中的主要步骤在框图中以正方形表示；椭圆形代表需要输入的基本参数；六边形代表在设计过程中通过软件自动计算得到的重要数据结果；切角矩形代表驻波阵与行波阵在Taylor综合时需要考虑的不同要素；虚线部分则代表符合条件时需要执行的步骤和需要输入的相应参数。图2为行波阵与驻波阵的泰勒方向图综合界面。图3、图4分别为波导窄边倾斜缝隙行波阵和波导宽边偏置缝隙行波阵设计界面。

这里以34个缝隙的波导行波阵为例，其工作频率为9.5GHz，副瓣电平的设计目标是-28dB。泰勒方向图综合所需的各项基本参数如图2(a)中所示。图5给出了泰勒综合所得到的组阵面方向图和归一化缝隙激励分布；图6为泰勒综合所得到的归一化缝隙导纳分布。点击存储后，即可将所得结果保存，并进入下一步的设计界面。

设计界面中，所需补充的基本参数、HFSS工程文件保存路径、HFSS执行启动文件路径和缝隙切深及倾角的扫描范围如图3中所示。点击“初始模型建立”即可得到包含12个缝隙的导纳参数提取模型，继续点击在模型建立后释放出来的“提取导纳参数”按钮，即可进入导纳参数提取过程。

提取导纳参数的过程按照“固定缝隙倾角，改变缝隙切深”的原则来进行。即每次打开HFSS加载模型时，为缝隙固定一个倾角，然后运行HFSS自身的参数扫描功能，扫描所定义区间内的所有缝隙切深。扫参结束将所有切深所对应的|S₁₂|参数导出并读取到MATLAB中，然后不保存扫参结果，关闭HFSS软件，以达到释放内存空间的目的；利用MATLAB软件找到|S₁₂|的最小值，其最小值所对应的切深就可以认为对应着缝隙在当前倾角下的谐振长度；然后再次打开HFSS软件，为模型赋予一个新的倾角数据，以此类推，就可以得到缝隙导纳在谐振状态下与缝隙倾角的关系。导纳提取完成之后，在MATLAB中对缝隙导纳与倾角的关系进行多项式拟合，即可得到缝隙导纳与倾角的关系曲线，如图7所示。而缝隙倾角与其谐振长度(即切深)的关系也已经以矩阵的形式内含于MATLAB的工作区中，对其进行插值后储存，以备后续缝隙倾角发生改变后寻找相应的谐振长度。

获取上述结果之后，“完整阵列模型建立及仿真分析”按钮会被释放，点击其获取初始模型和仿真结果。阵列初始模型的归一化远场方向图如图8所示，其副瓣电平为-27.5dB，不满足设计要求，点击下一步进入优化界面。

波导缝隙行波阵低副瓣优化设计界面如图9所示，需先指定优化的目标副瓣电平，一般要与泰勒综合时的副瓣电平有2～3dB的余量，此处设定为-28dB。分两步分别对阵列的近场相位和幅度进行优化。优化前需提前指定Word文档路径，优化过程会自动记录到相应路径的Word文档当中。

图10为初始模型理论近场与实际近场相位曲线对比结果，根据：

调整缝隙间距进行相位补偿。其中α为图10(b)中曲线进行线性回归后的直线斜率，d为初始模型的缝隙间距，λ_g为工作频率下的波导波长，Δd为需要调整的缝隙间距。经优化后理论近场与实际近场相位曲线的对比结果如图11所示，理论与实际的近场相位差控制在10o以内。相位优化完成后的理想缝隙导纳分布曲线如图12所示，该曲线作为“等效导纳法”优化近场幅度的目标曲线。

“等效导纳法”的优化流程如图13所示，各模块的作用和实现方法如下：

①获取仿真结果：相位优化完成后，仿真结果已经以.csv格式自动导出至软件所在文件夹，可以直接导入MATLAB工作区进行处理；幅度优化过程中，每次仿真结束后，会由脚本控制将天线的远场辐射方向图、近场幅度分布曲线、近场相位分布曲线自动导出，但会覆盖上一次计算的结果，所以这里同样需要调用MATLAB的COM组件，将需要存储下来的结果记录到仿真报告里；

②判定是否满足优化目标：优化目标即为所需的副瓣电平-28dB，利用自行编写的计算副瓣电平子程序，得到实际仿真结果的副瓣电平。判定时若满足优化目标，HFSS在计算完成后不会关闭；若不满足优化目标，HFSS会自动关闭，仿真报告会自动打开并记录当下的远场方向图、副瓣电平和实际缝隙导纳分布；

③计算缝隙实际导纳：对缝隙实际导纳的计算，与理论导纳分布的计算流程相似，都是通过波导缝隙行波阵设计的递推公式来完成，计算所需的参数主要包括缝隙间距、实际缝隙激励电压以及末端缝隙归一化导纳。其中缝隙间距我们使用经过相位优化后的新间距；末端缝隙归一化导纳保持泰勒综合时所定义的初始值(0.07)不变；实际的缝隙激励电压我们通过提取仿真结果中的近场幅度曲线，然后进行归一化得到。

④计算与理论导纳差值：用计算出的实际导纳减去理论导纳，保留正负号用于指导缝隙倾角的变化方向；

⑤确定缝隙尺寸变化量：阵列中的缝隙倾角彼此之间基本上都不相同，对于理论导纳相差较大的缝隙，原始倾角会有很大的差别。原始倾角较小的缝隙，其导纳变化对于倾角变化的响应更剧烈；而原始倾角较大的缝隙，要改变同样的导纳，就需要时缝隙倾角进行相对更多的调整。其本质是由导纳曲线上原始倾角所在位置的斜率决定的。所以确定缝隙尺寸变化量时，不可一概而论，需要从缝隙的原始倾角出发，依照图7中的导纳与倾角关系曲线进行搜索。

优化后的实际导纳曲线与理论导纳曲线如图14所示；优化后的远场方向图与初始模型的远场方向图如图15所示。优化过程在Intel Core i5-2320，8GB RAM的计算机配置，和64位Windows7操作系统下完成，总体优化时间共约15分钟。整体的优化结束后，天线的远场方向图副瓣电平下降至-29.07dB，与初始模型相比有大于1.5dB的改善；而天线增益保持在18.27dB，与初始模型的18.29dB相比，并未发生较大的下降，方向图主波束也没有明显的展宽，优化效果良好。

Claims (2)

1.一种波导缝隙阵列天线自动设计及优化方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：根据阵列方向图综合理论，在MATLAB中编写适用于对波导缝隙阵列天线进行泰勒方向图综合的相应程序，并辅之以GUI操作界面，采用定参数化的方式，所述的参数包括频率、波导尺寸、缝隙数目、缝隙间距、副瓣电平和等副瓣数；若为行波阵，还需增加末端缝隙归一化导纳；若为驻波阵，还需增加馈电方式；输入给定的参数即可获取理想缝隙激励分布与理想缝隙导纳分布，并将其存储下来；

步骤2：再建GUI操作界面补充建模所需的相应参数，所述的相应参数包括缝隙宽度和波导壁厚，若为驻波阵，还需增加馈电方式，如果为中心馈电方式，还需输入同轴内、外半径；并选择待生成模型的存储路径和HFSS软件执行文件路径；然后设定缝隙具体尺寸：若为窄边倾斜缝，则为倾角和切深的扫描范围和扫描步进；若为宽边偏置缝，则为偏置和缝长的扫描范围和扫描步进；进而通过MATLAB编写的vbs脚本访问HFSS的API接口，依据本步骤各参数在HFSS中建立包含若干个相同缝隙的缝隙导纳参数提取模型；

步骤3：在每次打开HFSS加载的缝隙导纳参数提取模型时，对其中一个参数进行更改，运行完成后退出HFSS且不保存结果；在每次HFSS加载完成后对另一个参数进行扫参；导纳参数提取完成，通过MATLAB计算即可得到缝隙谐振长度矩阵以及导纳关系曲线；

步骤4：根据步骤1得到的理想缝隙导纳分布，在步骤3得到的导纳关系曲线中，通过MATLAB比对导纳关系曲线上纵坐标与理想导纳差值最小的点，读取出该点的横坐标，即缝隙的倾角或偏置，在缝隙谐振长度矩阵中即可读取出相应的切深或缝长；重复上述操作，直至得到阵列中所有缝隙的倾角和切深或者偏置和缝长，使用MATLAB编写vbs脚本来控制HFSS实现完整的阵列建模及仿真远场方向图，如远场方向图副瓣电平不满足指标要求，需进行下一步优化；

步骤5：使用MATLAB编写vbs脚本来控制HFSS，在完整阵列模型中将近场参考线直接建立在各缝隙的中心，把缝隙的实际激励电场提取出来，取其模值并归一化作为实际激励电压，然后使用实际激励电压在MATLAB中计算出实际的缝隙导纳，与理想缝隙导纳做差，其差值在导纳关系曲线上所对应的横坐标差即为缝隙倾角或偏置需要调整的量，在缝隙谐振长度矩阵读取出相应的调整后的切深或缝长；通过反复调整缝隙尺寸，根据：

调整缝隙间距进行相位补偿，其中α为线性回归后的直线斜率，d为初始模型的缝隙间距，λ_g为工作频率下的波导波长，Δd为需要调整的缝隙间距；

优化缝隙的实际导纳分布，使实际激励电压迫近理想电压分布，从而间接优化天线远场辐射方向图。

2.根据权利要求1所述的一种波导缝隙阵列天线自动设计及优化方法，其特征在于步骤5中利用MATLAB的COM组件访问并控制Microsoft Word，将每一次调整后的实际导纳分布曲线和远场方向图导出至Word文档，以实现优化报告记录和优化过程监测，使得实际缝隙导纳迫近理性缝隙导纳。

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