[发明专利]一种超大扫描角的不规则子阵排布优化方法

说明书

本发明公开了一种基于不规则子阵的相控阵排布优化方法，充分利用阵列信息熵的定义，并将其应用到基于四联网格形式的不规则相控阵中，并通过增加变量的方法将优化模型线性化，使得原问题可以通过商业求解器进行求解。在优化出阵列排布以后，通过凸优化算法综合出所需扫描角度的方向图。本发明的最大创新性在于挖掘了原优化问题的本质特性，采用凸优化算法进行优化，极大节省了计算时间，在仅使用了原阵列四分之一T/R组件数的同时，保证了超大角度扫描特性。

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及到不规则子阵排列的优化方法，此算法主要采用了信息熵的原理，将优化模型转化为混合整数线性规划，通过商业求解器可以高效的优化出不规则阵列的拓扑结构，再按需综合出目标方向图。

背景技术

相控阵天线因能够实现通过改变相位以达到波束扫描的目的，在雷达和通信领域中得到了广泛的应用，但同时由于每个单元都需要连接一个移相器和T/R组件，大大增加了天线制造成本，同时常规相控阵的幅度相位加权手段很难满足天线阵低副瓣的需求，限制了天线的应用范围。

上世纪六七十年代，国外开始研究稀疏阵列天线，通过优化算法，可以使用较少的阵元数目通过不同的排列方式，实现较窄的波束及方向图扫描。但采用优化算法计算的阵列，一般阵元位置很不规则，阵元的加工和排列是非常棘手的问题，同时对阵列稀疏化会显著的改变阵元间的耦合，严重影响整个阵列的辐射性能。

从天线阵的基本原理来考虑，阵列排布的周期性是导致产生方向图栅瓣的主要原因，因此如何打破阵列的周期性就成为抑制栅瓣的主要思路，R.J.Mailloux，Andrea Massa等人提出了采用不规则子阵的方法来打破阵列的周期性,但由于优化问题过于复杂，他们的方案只能实现一维扫描，在工程上适用性较差。专利号为CN 107230843A的专利中采用了类似的方案，实现了二维扫描，但是扫描性能不强，两个单元组成的子阵在20×20的阵面下以0.7个波长间距布阵，只能实现±20°的二维扫描，该方案还没有完全发挥不规则子阵的扫描优势，在工程上适用性较差。专利号为CN108808266A的专利中同样采用了基于最大熵原则的优化方案，但是应用到四联网格(即四个单元组成的子阵)时会出现二维扫描各个面扫描能力不一致的情况，同时扫描角较小。

发明内容

鉴于上述技术背景，本发明提出了一种基于不规则子阵的相控阵排布优化方法，目的在于相比于已经存在的优化技术，本发明的提出的方法能够用更少的TR组件数的同时实现更大的扫描角度。专利号为CN108808266A的专利已经提到可以通过计算阵列中每行每列二联网格子阵相位中心的个数来计算信息熵，通过最大熵的原则，优化出不规则排布的阵列，以达到降低栅瓣的目的。而对于四联网格，由于子阵规模较二联网格有所增大，子阵方向图已经不可忽略，因此不加区分的将每类四联网格当成同一种子阵，这种方法会导致排布出的阵列各个面的扫描能力相差较大，已经不是最优的排布方案，不适用于四联网格的排布。

本发明具有以下内容：

本专利提出一种改进的基于最大熵的排布方案，分别计算四联网格每一类网格在阵列中的信息熵，再求和，最终得到整体的阵列信息熵，以整体的阵列信息熵最大化为优化目标进行优化。

考虑由一个M×N的不规则阵列，考虑不规则子阵由四个阵列单元组成子阵，每个子阵采用同一的馈电幅度及相位(如图1所示)，四联网格共有5种类型(如图2所示)，但经过翻转，旋转等操作共可以得到19类，子阵的相位中心为其重心，天线阵由多个子阵排列组成。

假设阵列单元为一个正方形网格，阵元的间距均为d，那么改进的阵列信息熵模型为

其中和为整数变量，表示第p列的第t类子阵共有个，表示第q列的第t类子阵共有个，l为四联网格的类型数(l＝19)，T表示是阵列的子阵数，对于四联网格组成的子阵来说就是MN/4个子阵。

因此改进的不规则子阵最大熵优化模型为