CN113258277A - 一种基于混合优化算法和超材料的低旁瓣微带阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于混合优化算法和超材料的低旁瓣微带阵列天线，包括：超材料覆层、微带阵列天线、馈电同轴接头；所述微带阵列天线包括第二介质板、接地板、第一表面和馈电点；所述第一表面包括馈电网络和设置在馈电网络上的若干阵列排布的微带贴片天线；所述馈电网络使用基于改进人工蜂群算法的K均值聚类算法来计算馈电网络的电流幅度分布，降低了旁瓣电平、优化了波束宽度。采用加载三层近零折射率超材料的方法，进一步减小了波束宽度，提高了天线增益，同时具有结构紧凑，制作成本低等特点，非常适合应用于船用雷达中。
Description
技术领域
本发明涉及射频技术领域，尤其涉及一种基于混合优化算法和超材料的低旁瓣微带阵列天线。
背景技术
船舶海事雷达是海事航行中的基本探测障碍的装置，障碍包括海岸线、冰山和其他船舶等，对障碍的准确探测可以使航海者在船舶航行时及时做出判断，确保航行安全。雷达发射天线向四周发射电磁波，当电磁波遇到障碍物反射回来，天线通过接收反射回来的电磁波来确定障碍物的位置。随着我国渔业的不断发展，人们对于船舶雷达天线性能的要求不断提高，雷达探测系统需要窄波束低旁瓣的雷达天线。
天线的阵列技术可以有效减小主瓣宽度，而想要实现低旁瓣则往往需要依赖算法进行深度优化。雷达天线旁瓣过高会导致旁瓣方向上目标的位置错误地呈现在主瓣方向上，使雷达对主瓣方向上目标的定位受到干扰。
发明内容
本发明提供一种基于混合优化算法和超材料的低旁瓣微带阵列天线，以克服天线的阵列技术旁瓣电平较高，导致旁瓣方向上目标的位置错误地呈现在主瓣方向上，使雷达对主瓣方向上目标的定位受到干扰的技术问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种基于混合优化算法和超材料的低旁瓣微带阵列天线，包括：超材料覆层、微带阵列天线、馈电同轴接头；
所述微带阵列天线包括第二介质板、接地板、第一表面和馈电点；所述第一表面和接地板设置在第二介质板上相对的两侧表面上；所述第一表面包括馈电网络和设置在馈电网络上的若干阵列排布的微带贴片天线；
所述馈电网络包括若干功分器和用于连接功分器与微带贴片天线的若干微带传输线，所述功分器通过传输线与微带贴片天线连接；
所述第一表面上设置有馈电点，所述接地板上与馈电点对应位置设置馈电同轴接头；所述馈电网络通过馈电同轴接头进行同轴馈电；所述馈电同轴接头通过微带传输线与功分器相连进而连接到馈电网络；
所述超材料覆层包括多层第一介质板，所述第一介质板依次层叠排布，每层第一介质板双面均覆有若干阵列排布的超材料单元；
所述超材料覆层与微带阵列天线平行设置。
进一步的，所述微带贴片天线设置为两排，且两排微带贴片天线方向相对。
进一步的，所述超材料单元包括若干方形贴片和方环形贴片，所述方形贴片设置在方环形贴片内部呈田字缝隙形排布。
进一步的，所述微带阵列天线沿其边缘周向设置若干第二通孔；所述超材料覆层上设置与第二通孔对应的第一通孔。
进一步的，所述馈电网络中的电流幅度分布是使用基于改进人工蜂群算法以及K均值聚类算法来计算得出。
有益效果：本发明的公开的一种基于混合优化算法和超材料的低旁瓣微带阵列天线，由于采用了改进人工蜂群算法与K均值聚类算法相结合的混合优化算法进行馈电网络的设计，降低了旁瓣电平、优化了水平面波束宽度。采用加载三层近零折射率超材料的方法，进一步减小了垂直面波束宽度，提高了天线增益，同时具有结构紧凑，制作成本低等特点，非常适合应用于船用雷达中。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明加载超材料微带阵列天线的整体结构图；
图2是本发明加载超材料微带阵列天线的侧视结构图；
图3是本发明微带阵列天线第一表面结构图；
图4是本发明微带阵列天线第二表面结构图；
图5是本发明超材料覆层表面结构图；
图6是本发明馈电网络中每条支路的等效电路；
图7是本发明加载超材料微带阵列天线在中心频率9.4GHz处的回波损耗结果图；
图8是本发明加载超材料微带阵列天线在中心频率9.4GHz处的水平面方向性图；
图9是本发明加载超材料微带阵列天线在中心频率9.4GHz处的垂直面方向性图；
图10是本发明加载超材料和不加载超材料微带阵列天线在中心频率 9.4GHz处的垂直面方向性对比图。
图中：1、超材料覆层，11、超材料单元，111、方形贴片，112、方环形贴片，12、第一介质板，13、第一通孔，2、微带阵列天线，21、第二通孔，22、微带贴片天线，23、馈电网络，24、第二介质板，25、馈电点，26、接地板。
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。
本发明所公开的一种基于混合优化算法和超材料的低旁瓣微带阵列天线，包括：超材料覆层1、微带阵列天线2、馈电同轴接头3，如附图1和附图2 所示；
优选的，所述微带阵列天线2包括第二介质板24、接地板26、第一表面和馈电点25；所述第一表面和接地板26均为设置在第二介质板24上相对的两侧表面上的铜箔；所述第一表面铜箔包括馈电网络23和设置在馈电网络 23上的两排2×16阵列排布的32个微带贴片天线22，由于船舶雷达天线要求水平面窄波束，垂直面波束有一定宽度但也不能过宽，阵列数越多可以实现越窄的波束宽度但仿真优化过程对计算机资源消耗过大，而2×16阵列可以实现水平面波束宽度小于6°，满足中小型船舶雷达的使用需求。虽然垂直面波束依然较宽，但本发明中使用了加载超材料的方式对其进一步改善。两排微带贴片天线22的方向反，馈电方向相反，其中，横向相邻的微带贴片天线 22中心距离为中心工作频率的0.74个波长，使得相邻单元贴片在最大辐射方向上辐射场同相叠加，纵向相邻微带贴片天线22中心距离为0.56个波长，由于纵向单元间距稍近可以明显改善垂直面旁瓣电平但会使波束变宽，本发明中使用的0.56个波长略小于一个介质中的波长，可以在主瓣宽度可接受范围内大幅改善旁瓣电平。所述微带阵列天线2沿其边缘周向设置若干直径 5mm的第二通孔21并使用尼龙柱进行固定，如图3、4所示为微带阵列天线 2的第一表面和接地板26结构图。
所述馈电网络23包括若干功分器和用于连接功分器与微带贴片天线22 的若干微带传输线，使用基于改进人工蜂群算法以及K均值聚类算法对阵因子进行优化，来计算馈电网络23的电流幅度分布，通过所述馈电网络23的 30个T形功分器进行功率分配，以实现高增益窄波束低旁瓣的方向性；
所述蜂群算法机制为模拟蜂群寻找蜜源的行为活动，其中随机生成的多组解作为初始种群，所述每个解对应一只引领蜂和一个蜜源，解的好坏相当于蜜源的丰富程度，所述引领蜂根据自己找到的蜜源的丰富程度(解的好坏) 跳舞传达信息招募跟随蜂，所述跟随蜂根据蜜源丰富程度挑选引领蜂，并且在其蜜源附近寻找新蜜源(在原解附近寻找新解)，同时依据贪婪法则对初始种群进行更新，而蜜源不丰富(解的质量差)的引领蜂在多次招募不到跟随蜂后将放弃该蜜源随机寻找新蜜源。每一次循环后得到的解都在下一次循环中作为原解进行更新，直到解的质量不再有明显提高即算法收敛。在本实施例中，使用该算法求得的解即为微带阵列天线的电流分布。
所述结合基于改进人工蜂群算法以及K均值聚类算法的混合优化算法的步骤为：1)使用改进人工蜂群算法对生成的随机解(即初始种群)进行一次计算；2)对计算得到的新种群选取初始点执行一次K均值聚类算法；3) 根据聚类后的结果更新蜂群，分配引领蜂和跟随蜂；如此交替执行改进人工蜂群算法和K均值聚类算法，直到算法结束；蜂群搜索新解时依据贪婪法则，将新解与原解进行比较保留较优的解，解的质量好坏依据如下目标函数评定：
fscore＝α×|θ1-θ0|+β×|BW1-BW0|+γ×|SLL11-SLL01|+ω×|SLL12-SLL02| (1)
其中，θ1表示求得阵因子的主瓣方位角，θ0为主瓣方位角的设计值，BW1为求得阵因子的零功率主瓣宽度，BW0为零功率主瓣宽度的设计值。为尽可能使主瓣附近的旁瓣电平满足要求，考虑对低角度范围的旁瓣电平设置更高的权值，
为角度范围的分界值。SLL11为求得阵因子
到
的最大旁瓣电平值，SLL01为
到
最大旁瓣电平设计值，SLL12为-90°到
和
到90°的最大旁瓣电平值，SLL02为-90°到
和
到90°的最大旁瓣电平设计值，α为阵因子的主瓣方位角与设计值之差的权值、β为阵因子的零功率主瓣宽度与设计值之差的权值、γ为阵因子
到
角度范围内的最大旁瓣电平值与设计值之差的权值、ω为-90°到
和
到90°角度范围内的最大旁瓣电平值与设计值之差的权值。该函数值越小表明优化结果与设计值越接近，解的质量越好。本设计中使用的相关参数具体取值为α＝1，β＝4，γ＝7，ω＝4，θ0＝0°，BW0＝20°，SLL01＝SLL02＝-35dB，计算的电流幅度分布如下表：
| I<sub>1</sub> | I<sub>2</sub> | I<sub>3</sub> | I<sub>4</sub> | I<sub>5</sub> | I<sub>6</sub> | I<sub>7</sub> | I<sub>8</sub> |
| 0.1193 | 0.1986 | 0.3548 | 0.4982 | 0.6566 | 0.8216 | 0.9440 | 1.0000 |
| I<sub>9</sub> | I<sub>10</sub> | I<sub>11</sub> | I<sub>12</sub> | I<sub>13</sub> | I<sub>14</sub> | I<sub>15</sub> | I<sub>16</sub> |
| 1.0000 | 0.9440 | 0.8216 | 0.6566 | 0.4982 | 0.3548 | 0.1986 | 0.1193 |
结合基于改进人工蜂群算法以及K均值聚类算法的混合优化算法得出的电流分布设计的微带阵列天线馈电网络23包括30个T型功分器，通过一系列阻抗变换器实现阻抗分配进而实现功率分配。天线馈电网络分为四条支路，且电流分布对称，单元贴片天线输入阻抗值为100Ω。
如图6所示为每条支路的等效电路，图中的λs是中心频率所对应的介质基板中的波长，ZLn为第n个单元天线处包含该单元天线向外端看去的输入阻抗，ZRn为第n个单元天线处不包含该单元天线向外端看去的输入阻抗，ZL0为单元微带天线的输入阻抗，ZnL和ZnR分别为第n个单元天线左右两边阻抗变换器的特性阻抗，Z0为微带传输线的特性阻抗。
将电流分布平方得到功率分布，Pn为第n个单元微带天线的功率
Pn＝In 2,n＝1,2,…,8 (2)
第n个功分器所需实现的功率分配比为kn
ZRn＝knZL0,n＝1,2,…,7 (4)
ZLn等于功分器两支路并联后的阻抗
由Z0，ZLn和ZRn计算ZnL和ZnR的公式如下，即四分之一阻抗变换器的阻抗匹配公式。
由特性阻抗ZnL和ZnR可以得到支路中各T型功分器所对应的微带线宽度，由于微带线特性阻抗计算复杂，对于导体带条厚度为零的微带线，通常使用下式近似计算。
对于宽带(W/h≥1)，有
对于窄带(W/h＜1)，有
其中，
已知特性阻抗Z0，介质板厚度h和介质板相对介电常数εr，对于宽微带线和窄微带线分别可以依据(8)(10)式和(9)(10)计算出微带线宽度 W，精度为2％。
所述第一表面上设置有馈电点25，所述接地板26上与馈电点25对应位置设置馈电同轴接头3；所述馈电网络23通过馈电同轴接头3进行同轴馈电；所述馈电同轴接头3通过微带传输线与功分器相连进而连接到馈电网络23；
优选的，所述馈电同轴接头3使用SMA接头背馈，馈电点25位置为微店阵列天线的几何中心位置处偏移四分之一中心频率的介质波长，使馈电方向相反的两排微带贴片天线22的馈电相位相差180°，辐射场同相叠加。
优选的，如附图3所示，所述超材料覆层1通过其表面特殊的金属印制结构使超材料覆层1整体实现近零折率超材料的特性：所述超材料覆层1包括3层第一介质板12，所述第一介质板12依次层叠排布，每层第一介质板 12双面均覆有田字缝隙图案的7×33阵列排布的超材料单元11，由于阵列天线辐射能量主要集中在垂直于介质板方向，超材料阵列数过少对改善阵列天线性能的效果有限，而过多的阵列数会大大增加天线的尺寸而且在弱辐射区继续增加超材料阵列数并不会对天线性能有明显的影响，本发明中选择的 7×33的超材料阵列数在不增大天线尺寸的情况下对天线性能有足够的改善作用。如附图5所示，所述超材料单元11的边长为13mm的铜箔，在9.4GHz 频率处为通带结构且等效折射率近零，包括4个方形贴片111和方环形贴片 112，所述方形贴片111设置在方环形贴片112内部呈田字形排布；在中心频率9.4GHz处为通带结构，且等效折射率近零，实部为0.02虚部为0.09。所述超材料覆层1的每层第一介质板12上还设置与第二通孔21对应的第一通孔13，同样使用尼龙绳进行固定，保证15mm的距离。
所述超材料覆层1与微带阵列天线2平行设置，且最下层第一介质板12 与第二介质板24距离为15mm，为中心频率对应的0.5个波长，使得被超材料反射回来并在微带阵列天线表面再次反射的电磁波与直接穿过超材料的电磁波波程相差约为一个波长，实现同相叠加。
优选的，所述第一介质板12和第二介质板24均使用介电常数为2.2，厚度为1mm的F4B介质板制成，除馈电点25为保证两排贴片天线辐射场同相叠加偏移了四分之一波长外，其余均为对称结构，目的是使得辐射方向性图尽可能对称，对称的旁瓣对目标探测的干扰在雷达探测图上呈现对称的目标点，易于被分辨出来。
如图7所示为加载超材料微带阵列天线的回波损耗S11曲线，在中心频率 9.4GHz处为-26dB匹配良好，低于-10dB频率范围为9.324GHz～9.463GHz，带宽为139MHz。
如图8所示为加载超材料微带阵列天线在中心频率9.4GHz处的水平面方向性图。天线主极化为垂直极化，交叉极化为水平极化。增益达到22.8dBi, 水平面半功率波束宽度为5.7°，旁瓣电平为-34.8dB。波束窄，增益高，旁瓣抑制效果好。
如图9所示为加载超材料微带阵列天线在中心频率9.4GHz处的垂直面方向性图。垂直面半功率波束宽度为30.4°，旁瓣电平为-31.2dB。交叉极化效果良好，交叉极化鉴别率大于100dB。
如图10所示为加载超材料和不加载超材料微带阵列天线在中心频率 9.4GHz处的垂直面方向性对比图。未加载超材料时半功率波束宽度为53.8°，增益为20.4dBi，旁瓣电平为-28.4dB，加载超材料后半功率波束宽度减小了 23.4°，增益提高了2.4dBi，旁瓣电平有所降低。以上结果表明本发明近零折射率超材料对于提高天线的定向性有显著效果。
综上所述，本发明所公开的一种基于混合优化算法和超材料的低旁瓣微带阵列天线，由于采用了改进人工蜂群算法与K均值聚类算法的混合优化算法进行馈电网络的设计，降低了旁瓣电平、优化了水平面波束宽度。采用加载三层近零折射率超材料的方法，进一步减小了垂直面波束宽度，提高了天线增益，同时具有结构紧凑，制作成本低等特点，非常适合应用于船用雷达中。
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 (5)
1.一种基于混合优化算法和超材料的低旁瓣微带阵列天线，其特征在于，包括：超材料覆层(1)、微带阵列天线(2)、馈电同轴接头(3)；
所述微带阵列天线(2)包括第二介质板(24)、接地板(26)、第一表面和馈电点(25)；所述第一表面和接地板(26)设置在第二介质板(24)上相对的两侧表面上；所述第一表面包括馈电网络(23)和设置在馈电网络(23)上的若干阵列排布的微带贴片天线(22)；
所述馈电网络(23)包括若干功分器和用于连接功分器与微带贴片天线(22)的若干微带传输线，所述功分器通过传输线与微带贴片天线(22)连接；
所述第一表面上设置有馈电点(25)，所述接地板(26)上与馈电点(25)对应位置设置馈电同轴接头(3)；所述馈电网络(23)通过馈电同轴接头(3)进行同轴馈电；所述馈电同轴接头(3)通过微带传输线与功分器相连进而连接到馈电网络(23)；
所述超材料覆层(1)包括多层第一介质板(12)，所述第一介质板(12)依次层叠排布，每层第一介质板(12)双面均覆有若干阵列排布的超材料单元(11)；
所述超材料覆层(1)与微带阵列天线(2)平行设置。
2.如权利要求1所述的一种基于混合优化算法和超材料的低旁瓣微带阵列天线，其特征在于，所述微带贴片天线(22)设置为两排，且两排微带贴片天线(22)方向相反。
3.如权利要求1所述的一种基于混合优化算法和超材料的低旁瓣微带阵列天线，其特征在于，所述超材料单元(11)包括若干方形贴片(111)和方环形贴片(112)，所述方形贴片(111)设置在方环形贴片(112)内部呈田字形排布。
4.如权利要求1所述的一种基于混合优化算法和超材料的低旁瓣微带阵列天线，其特征在于，所述微带阵列天线(2)沿其边缘周向设置若干第二通孔(21)；所述超材料覆层(1)上设置与第二通孔(21)对应的第一通孔(13)。
5.如权利要求1所述的一种基于混合优化算法和超材料的低旁瓣微带阵列天线，其特征在于，所述馈电网络(23)中的电流幅度分布是使用基于改进人工蜂群算法以及K均值聚类算法所构成的混合优化算法来计算得出。
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