CN111463567B - 一种基于差分进化算法的低RCS超宽带Vivaldi天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于差分进化算法的低RCS超宽带Vivaldi天线，包括阶梯微带线、槽线两侧金属辐射贴片、离散化金属辐射贴片及介质基板；其中，阶梯微带线位于顶层，介质基板位于中间层，槽线两侧金属辐射贴片和离散化金属辐射贴片位于底层，离散化金属辐射贴片位于槽线两侧金属辐射贴片两边外侧。本发明利用Python和HFSS协同仿真，采用差分进化方法对Vivaldi天线电流相对较弱的部分进行优化，通过减缩Vivaldi天线面积从而降低天线的RCS。通过这种简单而有效的设计方法，不需要额外的结构即可降低Vivaldi天线的RCS,同时能够很好地保持天线的辐射性能。相比于整体尺寸相同的Vivaldi参考天线，本发明在较宽的频段内实现了有效的RCS减缩，能够应用于低散射雷达系统。

Description

一种基于差分进化算法的低RCS超宽带Vivaldi天线
技术领域
本发明涉及天线隐身领域，尤其涉及一种基于差分进化算法的低RCS超宽带Vivaldi天线。
背景技术
雷达散射截面(Rader Cross Section,RCS)作为一种能够定量表示目标隐身能力的关键指标，其可以度量目标散射的强弱。一般来说，降低目标的RCS有四种方式，分别为外形修剪技术、加载吸波材料技术、无源对消技术和有源对消技术。对于载体平台而言，天线的RCS占载体平台总体RCS的比重很大。因此，天线的RCS减缩至关重要。而对于天线的RCS设计而言，需要平衡天线的辐射与散射特性，从而进行综合设计。
Vivaldi天线作为一种典型的超宽带天线，由于具有方向性好、频带宽、增益高等优点，在军事领域得到了广泛的应用。因此，研究Vivaldi天线的RCS减缩具有重要的军事意义。目前Vivaldi天线的RCS减缩技术主要可以归纳为两类。一类是在Vivaldi天线上加载特殊设计的结构，例如吸波材料等，以实现天线RCS的降低。另一种是通过裁剪Vivaldi天线的面积以便达到降低天线RCS的目的。
然而，无论是引入额外的结构还是减小Vivaldi天线的面积，这些设计方法都需要长时间尝试和探索，使得设计的天线辐射特性与散射特性均满足要求。因此，这些方法并不属于一种通用的降低天线RCS的方法。基于这种情况，有必要设计一种通用的、高效的方法，使研究者在明确设计目标的前提下，使用优化方法来寻找和选择最合理的结果，并获得所期望的性能。
发明内容
本发明目的是：提供基于差分进化算法的低RCS超宽带Vivaldi天线，旨在解决目前低RCS天线设计过程中的盲目性，同时结合差分进化算法，设计一种通用的、高效的缩减Vivaldi天线RCS的方法，为Vivaldi天线RCS减缩提供一种新思路。
本发明的技术方案是：
一种基于差分进化算法的低RCS超宽带Vivaldi天线，包括阶梯微带线、槽线两侧金属辐射贴片、离散化金属辐射贴片及介质基板；其中，阶梯微带线位于顶层，介质基板位于中间层，槽线两侧金属辐射贴片和离散化金属辐射贴片位于底层，离散化金属辐射贴片位于槽线两侧金属辐射贴片两边外侧。
优选的，所述离散化金属辐射贴片离散化为若干矩形块，通过控制各个位置矩形块的有无从而设计低RCS超宽带Vivaldi天线。
优选的，所述离散化金属辐射贴片采用差分进化算法对各个位置矩形块的有无进行优化，在保证Vivaldi天线辐射特性的前提下，寻找目标散射最弱时的天线最优形状。
优选的，在采用差分进化算法优化过程中，利用差分进化算法优化的散化金属辐射贴片满足结构中心对称的特点，保证天线方向图的对称性。
优选的，所述采用差分进化算法对各个位置矩形块的有无进行优化前，将离散化的金属贴片部分每一列视为一个变量，计算金属贴片每一列所包含的矩形块的数量N，对于每一个变量来说，其取值范围介于0-(2N-1)之间。
优选的，所述采用差分进化算法对各个位置矩形块的有无进行优化方法为：
S1、首先随机生成一定种群数量的个体，形成第一代种群；
S2、通过Python脚本调用HFSS软件建立离散化金属辐射贴片模型，在HFSS中计算天线的辐射和散射特性，从而获得每个个体适应度值，所述适应度值即为天线的RCS值；
S3、将计算得到的适应度值与目标值进行比较：一旦适应度值小于目标值，则获得低RCS超宽带Vivaldi的天线；否则，将进行变异和交叉操作，以便获得交叉个体；
S4、将目标个体与交叉个体进行比较：如果利用交叉个体计算出的适应度值小于目标个体计算出的适应度值，则交叉个体将作为下一代个体，反之，目标个体将被遗传到下一代；
S5、不断重复进行变异、交叉及选择操作，直到适应度值小于目标值或迭代次数达到指定的最大迭代次数，整个优化过程终止。
优选的，在设计低RCS天线时，同时考虑所设计天线的辐射特性和散射特性，只有当所设计的Vivaldi天线的反射系数小于-10dB时，才计算该天线对应的散射性能。
本发明的优点是：
本发明的基于差分进化算法的低RCS超宽带Vivaldi天线，利用Python和HFSS协同仿真，采用差分进化方法对Vivaldi天线电流相对较弱的部分进行优化，通过减缩Vivaldi天线面积从而降低天线的RCS。通过这种简单而有效的设计方法，不需要额外的结构即可降低Vivaldi天线的RCS,同时能够很好地保持天线的辐射性能。相比于整体尺寸相同的Vivaldi参考天线，本发明在较宽的频段内实现了有效的RCS减缩，能够应用于低散射雷达系统。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术方案，下面将对实施例或现有技术方案中所使用的附图作简单介绍。需要注意的是，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的基于差分进化算法的低RCS超宽带Vivaldi天线的三维结构示意图；
图2为本发明提供的基于差分进化算法的低RCS超宽带Vivaldi天线的三视图；
图3为本发明提供的基于差分进化算法的低RCS超宽带Vivaldi天线设计的具体流程图；
图4为本发明实施例提供的一种低RCS超宽带Vivaldi天线与参考天线仿真的电压驻波比与增益对比图；
图5为本发明实施例提供的一种低RCS超宽带Vivaldi天线与参考天线在4.5GHz工作频率下仿真的远场辐射方向图，其中图5(a)为E面方向图，图5(b)为H面方向图；
图6为本发明实施例提供的一种低RCS超宽带Vivaldi天线与参考天线在8.5GHz工作频率下仿真的远场辐射方向图，其中图6(a)为E面方向图，图6(b)为H面方向图；
图7为入射波垂直入射时，本发明实施例提供的一种低RCS超宽带Vivaldi天线与参考天线的单站RCS对比图；
图8为入射波照射角度为
Figure BDA0002451397800000031
θ＝60°时，本发明实施例提供的一种低RCS超宽带Vivaldi天线与参考天线的单站RCS对比图；
图9为入射波照射角度为
Figure BDA0002451397800000032
θ＝60°时，本发明实施例提供的一种低RCS超宽带Vivaldi天线与参考天线的单站RCS对比图。
具体实施方式
如图1和2所示，本发明的基于差分进化算法的低RCS超宽带Vivaldi天线，包括阶梯微带线1、槽线两侧金属辐射贴片2、离散化金属辐射贴片3及介质基板4；其中，阶梯微带线1位于顶层，介质基板4位于中间层，槽线两侧金属辐射贴片2和离散化金属辐射贴片3位于底层，离散化金属辐射贴片3位于槽线两侧金属辐射贴片2两边外侧。
所述的低RCS超宽带Vivaldi天线整体长度和宽度分别为L＝120mm和W＝80mm。本发明采用阶梯微带线对Vivaldi天线进行耦合馈电，其宽度从W2＝1.65mm渐变为W3＝0.41mm,微带线终端的扇形结构的角度为θ＝80°，半径为r1＝7.8mm。
本发明所述的Vivaldi天线离散化的金属贴片宽度为W4＝20mm，采用小矩形块对金属贴片进行离散，其长度和宽度均为W5＝2mm，则可计算出金属贴片所需离散化的列数为10，将每一列看作一个变量，则利用差分进化算法所需优化的变量为10个，因此，该问题为多变量函数优化问题。
图3为本发明实施例提供的基于差分进化算法的低RCS超宽带Vivaldi天线设计的具体流程。在进行优化前，将离散化的金属贴片部分每一列视为一个变量，计算金属贴片每一列所包含的矩形块的数量N，对于每一个变量来说，其取值范围介于0-(2N-1)之间。所述采用差分进化算法对各个位置矩形块的有无进行优化方法为：
S1、首先随机生成一定种群数量的个体，形成第一代种群；
S2、通过Python脚本调用HFSS软件建立离散化金属辐射贴片模型，在HFSS中计算天线的辐射和散射特性，从而获得每个个体适应度值，所述适应度值即为天线的RCS值。值得注意的是，在设计低RCS天线时，必须同时考虑所设计天线的辐射特性和散射特性。因此，只有当所设计的Vivaldi天线的反射系数小于-10dB时，才会计算该天线对应的散射性能。
S3、将计算得到的适应度值与目标值进行比较：一旦适应度值小于目标值，则获得低RCS超宽带Vivaldi的天线；否则，将进行变异和交叉操作，以便获得交叉个体；
S4、将目标个体与交叉个体进行比较：如果利用交叉个体计算出的适应度值小于目标个体计算出的适应度值，则交叉个体将作为下一代个体，反之，目标个体将被遗传到下一代；
S5、不断重复进行变异、交叉及选择操作，直到适应度值小于目标值或迭代次数达到指定的最大迭代次数，整个优化过程终止。
在采用差分进化算法优化过程中，利用差分进化算法优化的散化金属辐射贴片满足结构中心对称的特点，保证天线方向图的对称性。
为了证明本发明实施例中低RCS超宽带Vivaldi天线优异的辐射性能，对该天线的电压驻波比、增益及远场辐射方向图进行了仿真，并与尺寸相同的Vivaldi参考天线进行对比。
请参照图4，图4为本发明实施例提供的一种低RCS超宽带Vivaldi天线与参考天线仿真的电压驻波比和增益对比图。所述低RCS超宽带Vivaldi天线在4～9GHz的频率范围内，电压驻波比均小于2，与参考天线电压驻波比相近。同时，所述低RCS超宽带Vivaldi天线增益在整个频段略低于参考天线，但在可接受范围之内。
请参照图5和图6，图5为本发明实施例提供的一种低RCS超宽带Vivaldi天线与参考天线在4.5GHz工作频率下仿真的远场辐射方向图，其中5(a)为E面方向图，图5(b)为H面方向图，图6为本发明实施例提供的一种低RCS超宽带Vivaldi天线与参考天线在8.5GHz工作频率下仿真的远场辐射方向图，其中6(a)为E面方向图，图6(b)为H面方向图。所述天线在4.5GHz和8.5GHz两个频点处的辐射方向图与参考天线的辐射方向图能够较好地吻合，验证了所述低RCS超宽带Vivaldi天线具有良好的辐射特性。
请参照图7、图8和图9，为了验证利用差分进化算法优化的Vivaldi天线具有低散射特性，将平面入射波均匀照射Vivaldi天线，仿真当入射波为θ极化，不同角度入射时所述天线与参考天线的单站RCS对比图。
如图7所示，当入射波垂直照射Vivaldi天线时，即φ＝0°，θ＝0°时，与参考天线相比，所述天线在4～9GHz整个频带内实现了单站RCS减缩。尤其在5.5GHz频点处，所述天线实现了5.24dB的单站RCS减缩。
图8和图9反映了入射波θ增大到60°时，所述天线与参考天线的单站RCS性能。与参考天线相比，所述天线在4～9GHz的大部分频段内实现了单站RCS减缩。特别地，当φ＝0°，θ＝60°时，所述天线在4.75～6.2GHz频段内单站RCS减缩量大于6dB，尤其在4.85GHz频点处，单站RCS减缩量达到14.4dB。当φ＝90°，θ＝60°时，所述天线在5.8～6.2GHz和7.25～8.05GHz频段内均实现6.5dB以上的单站RCS减缩，尤其在6GHz频点处，单站RCS减缩量达到11dB。
因此，当入射波以不同的角度入射时，所述天线在整个频带内的平均单站RCS值均远低于参考天线，但仍具有与参考天线类似的良好辐射性能。
在本申请所提供的实施例中，应当理解到，所公开的结构，可以通过其他的方式实现。例如，以上将电流区域较小的部分离散化为矩形块结构仅仅为一种可实现的物理结构，实际中可以遵循设计原则设计为其他的形状。
以上为对本发明所提供的一种基于差分进化算法的低RCS超宽带Vivaldi天线的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施范围上均会有改变。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种基于差分进化算法的低RCS超宽带Vivaldi天线，其特征在于，包括阶梯微带线（1）、槽线两侧金属辐射贴片（2）、离散化金属辐射贴片（3）及介质基板（4）；其中，阶梯微带线（1）位于顶层，介质基板（4）位于中间层，槽线两侧金属辐射贴片（2）和离散化金属辐射贴片（3）位于底层，离散化金属辐射贴片（3）位于槽线两侧金属辐射贴片（2）两边外侧；
所述离散化金属辐射贴片（3）离散化为若干矩形块，通过控制各个位置矩形块的有无从而设计低RCS超宽带Vivaldi天线；
所述离散化金属辐射贴片（3）采用差分进化算法对各个位置矩形块的有无进行优化，在保证Vivaldi天线辐射特性的前提下，寻找目标散射最弱时的天线最优形状；
所述采用差分进化算法对各个位置矩形块的有无进行优化方法为：
S1、首先随机生成一定种群数量的个体，形成第一代种群；
S2、通过Python脚本调用HFSS软件建立离散化金属辐射贴片模型，在HFSS中计算天线的辐射和散射特性，从而获得每个个体适应度值，所述适应度值即为天线的RCS值；
S3、将计算得到的适应度值与目标值进行比较：一旦适应度值小于目标值，则获得低RCS超宽带Vivaldi的天线；否则，将进行变异和交叉操作，以便获得交叉个体；
S4、将目标个体与交叉个体进行比较：如果利用交叉个体计算出的适应度值小于目标个体计算出的适应度值，则交叉个体将作为下一代个体，反之，目标个体将被遗传到下一代；
S5、不断重复进行变异、交叉及选择操作，直到适应度值小于目标值或迭代次数达到指定的最大迭代次数，整个优化过程终止；
在采用差分进化算法优化过程中，利用差分进化算法优化的散化金属辐射贴片（3）满足结构中心对称的特点，保证天线方向图的对称性；
所述采用差分进化算法对各个位置矩形块的有无进行优化前，将离散化的金属贴片部分每一列视为一个变量，计算金属贴片每一列所包含的矩形块的数量N，对于每一个变量来说，其取值范围介于0-(2N-1)之间。
2.根据权利要求1所述的低RCS超宽带Vivaldi天线，其特征在于，在设计低RCS天线时，同时考虑所设计天线的辐射特性和散射特性，只有当所设计的Vivaldi天线的反射系数小于-10dB时，才计算该天线对应的散射性能。
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