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波导缝隙阵天线的快速优化设计


 

第 9期 2006 年 9 月

电   子   学   报
ACTA ELECTRON ICA SI I N CA

Vol 34  No. 9 .   Sep.  2006

波导缝隙阵天线的快速优化设计
谢拥军 ,辛   ,王   娟 鹏
(西安电子科技大学天

线与微波技术国家重点实验室 ,陕西西安 710071)

1  引言

   矩形波导缝隙阵天线在窄波束或赋形波束的微波通 信和雷达系统中获得了广泛应用 . 由于它具有体积小 、 重 量轻 、 口径效率高 、 宽角副瓣低等特点 , 在机载雷达上为优 先选用的天线形式 . 在波导缝隙天线阵中 , 缝隙间的耦合 效应对天线方向图的影响很大 , 因此设计中要考虑耦合效 [ 1 ~3 ] 应 . 由于遗传算法具有全局多变量优化特性 , 使其成为应 用于缝隙天线阵优化设计中的理想方法 . 缝隙天线的设计 重点是互耦的考虑 ,我们的理论分析以及下文的实例计算 都证明了遗传算法对缝隙阵的设计是有效的 . 现有的利用 遗传算法的优化设计方法一般都是以逼近理想方向图来 [4] 作为目标函数进行优化的 . 这种方法需要在迭代的每一 步产生方向图 ,并且和理想方向图进行比较 , 多次迭代 , 多 次比较 , 最终得到满足要求的方向图 , 这在计算上将会耗 费大量的时间 . 本文利用 Elliott方程 , 提出基于“ 激励电流 分布逼近 ” 的目标函数进行优化 , 将考虑互耦影响后的电
收稿日期 : 2005 2 2 修回日期 : 2005 2 2 07 23; 12 05 基金项目 : 本文受新世纪优秀人才支持计划资助 (No. NCET2 2 04 0950)

     :   摘 要 本文利用 Elliott设计方程考虑波导缝隙阵天线中单元间的耦合效应 ,提出“ 电流分布逼近 ” 作为目 标函数 ,利用遗传优化算法对谐振式波导缝隙阵天线进行方向图优化设计 . 本文设计了一个 4 元波导缝隙阵 , 证 明了这种方法是有效的 , 并完成了一个 8 元缝隙阵的设计实例 . 数值结果表明 , 本文方法相比于传统“ 方向图逼 近” 优化方法更加快速有效 ,并且可以应用到大型的波导缝隙阵的设计之中 . 关键词 :   缝隙阵天线 ; 遗传算法 ; 优化 + 中图分类号 :  TN82011 2     文献标识码 :  A     文章编号 :  0372 2 2112 ( 2006 ) 09 2 1726 2 03

Fa st O pti a l D esign of the W avegu ide Slotted Array m
X IE Yong2jun, X I Juan,WANG Peng N
a b

(N a tiona l L abora tory of A n tennas and M icrow ave Technology, X id ian U niversity, X i’ S haanxi 710071, China) an,

Abstract:  A novel fast op tim al design method based on genetic algorithm ( GA ) is given for the rectangular

m ization, and this method can be used to the large array design.

waveguide slotted array “App roaching ideal current”cost function is p resent in this op tim al method instead of the“Ap 2 . p roaching ideal pattern ”cost function in conventional method, considering the mutual coup ling in the waveguide slotted ar2 Examp les show that thismethod is much more quick than conventional method based on“App roaching ideal pattern” ti2 op Key words:   slotted array antenna; genetic algorithm; op tim ization ray in the Elliott equations The results of 4 2slot array show the validity of this method, the array of 8 2slot is also analyzed. .

流分布值与未考虑互耦的天线阵综合出的理想电流分布 值比较 , 优化天线结构参数 , 计算出和理想电流值最接近 的缝隙结构参数 . 这种方法中省去了每次迭代中生成方向 图的过程 ,节省了大量计算时间 .

2  Elliott波导缝隙阵设计方程
  Elliott的两个设计方程为 :
Yn
a

[1]

G0

= K1 fn sin kln
Yn
a

Vn

s

Vn

( 1) ( 2)

G0

=

K2 f n Z
a n

2

式中 , Yn /G0 是缝隙的归一化导纳 , K1 , K2 是常数 , Vn 是模 β cos ln - coskln p xn s 式电压 , V n 是缝隙电压 , fn = sin , 单个缝
sin kln
b n

a

隙的等效阻抗表示为 : Z = Znn + Z , 其中 , Znn 表示单个缝
N

a n

隙的自阻抗 , Zn = ∑
m =1

V m sin kl m Vn sink ln
s

s

Znm , Znm 是 n, m 缝隙间的互耦

阻抗 .

第  9   期

谢拥军 : 波导缝隙阵天线的快速优化设计

1727

1728

电                子 学 报
表 2  天线综合得到的电流分布

2006 年

n

1 0. 5787

2 0. 6600

3 0. 8750

4 1. 000

5 1. 000

6 0. 8750

7 0. 6600

8 0. 5787

电流幅度

表 3  优化后缝隙的物理参数 (单位 : mm )
n 1 1. 9228 15. 560 2 2. 5248 15. 637 3 3. 1115 15. 733 4 3. 5103 15. 809 5 3. 5103 15. 809 6 3. 1115 15. 733 7 2. 5248 15. 637 8 1. 9228 15. 560

偏移量 缝长

由于我们在迭代的每一步都 省去了由电流计算方向图 , 因 此使计算时间减少了一到两 个数量级 . 由于本文方法可实 现快速优化设计 , 所以在应用 于大型缝隙阵天线设计时更 加有效 .

端加短路板 ,一端为馈电端口 , 进行天线阵综合 , 得到电流 [6] 分布 . 利用遗传算法对缝隙参数进行优化 , 得到一组缝隙参 数 ,使得由它产生的电流分布最接近理想的电流分布 . 我们选用未考 虑互耦设计的缝隙 参数作为遗传算法 优化 的 初 始 参 数 , 这样会减少迭代步 数. 根 据 优 化 前 后 的结构参数设计波 导缝 隙 阵 , 并 利 用 A nsoft HFSS 仿真软 件计 算 出 方 向 图 , 驻波特性 ,如图 4 所 示 . 可以看出 , 优化 后的方向图的副瓣 均低于优化前的方 向图 , 压低了副瓣 , 主瓣 略 微 变 宽 , 这 是由于考虑互耦前 后所计算的电流分 布有所相差造成的 . 本文优化设计中我们充分考虑了缝隙 间距 、 缝长对方向图的影响 , 通过优化算法 , 可以明显地改 善方向图 . 在优化过程中 , 本文方法并不是以方向图逼近 作为目标函数 , 而是以电流分布逼进作为目标函数 , 因而 可以实现快速优化的目的 .

参考文献 :
[ 1 ] ELL I TT R. Antenna Theo ry and D esign [ M ]. Englewood O [ 2 ] ELL I TT R, K O URTZ L. The design of s mall arrays [ J ]. IEEE [ 3 ] ELL I TT R , O ’ O LOU GHL I W illiam R. The design of slo t N arrays including internal mutual coup ling [ J ]. IEEE Trans Antenna Propagation, 1986, A P 2 ( 9 ) : 1149 - 1154. 34 [ J ]. 电子学报 , 2002, 30 ( 3) : 309 - 312. Electronica Sinica, 2002, 30 ( 3 ) : 309 - 312. 1996.
领域的研究 . E 2 mail: yjxie@ xidian. edu. cn 生 . 主要研究方向为微波通信 .
E2 mail: xinjuan1999@ yahoo. com. cn

[ 4 ] 王宏建 ,等 . 遗传算法在波导裂缝阵列天线设计中的应用 WAN G Hong2jian, et al The app lication of genetic algorithm s . ( GA s) on the design of the waveguide slotted array[ J ]. A cta
谢拥军  男 , 1969 年 5 月生于陕西西安 , 教 授 ,博士生导师 ,主要从事计算电磁学 ,微波通信等 辛     , 1981 年 2 月出生于西安市 . 研究 娟 女

[ 5 ] 陈国良 . 遗传算法及其应用 [M ]. 北京 : 人民邮电出版社 , [ 6 ] 贾西克 . 天线工程手册 (上册 ) [M ]. 茅于宽 ,等 ,译 . 北京 :

国防工业出版社 , 1966.

作者简介 :

5  结论
   本文以电流分布作为目标函数 , 利用遗传算法通过对 缝隙物理参数的多次迭代 , 优化得出了逼近理想电流分布 的最佳缝隙结构参数 , 进而得到了最优方向图 , 这种方法 比起传统的方向图逼近目标函数的优化方法 , 省去了在每 次迭代过程中都生成方向图并且与理想方向图进行比较 这一步骤 ,节约了大量的 CPU 时间 . 在这里我们特别指出 ,

王     , 1980 年 12 月出生于河南郑州 . 博士生 . 主要研究方 鹏 男 向为电磁场数值计算 . E 2 mail: evan - wp@163. com

Cliffs: Prentice2 Hall, Inc, 1981. 325 - 420.

Trans A ntennas Propagation, 1978, A P 2 ( 2) : 214 - 219. 26


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