[发明专利]一种波导馈电全金属双极化平板天线阵列及其优化方法

权利要求书

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{\Σ}}}{\[VSWR(p_1,p_2,\mathrm{...}{p}_n,m)-V_o\]}^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。