[发明专利]一种不等间距紧耦合阵列天线优化方法

权利要求书

1.一种不等间距紧耦合阵列天线优化方法，包含如下步骤：

步骤1，建立Vivaldi天线模型和连接板模型，并输出单元的网格信息；

步骤2，产生初始种群，随机生成一组数字，表示连接板的宽度；

步骤3，阵元划分，建立缓冲区，提取特征模式，建立模式数据库；

步骤4，计算适应度值，采用特征模全域基函数的方法对目标的阻抗矩阵维度缩减；

步骤5，根据适应度值的好坏进行选择、交叉和变异操作，产生新的种群；

步骤6，基于MPI的遗传算法并行策略，按照种群并行。

2.根据权利要求1所述的不等间距紧耦合阵列天线优化方法，其特征在于：步骤1所述建立Vivaldi天线模型和连接板模型，并输出单元的网格信息，是指利用FEKO仿真软件进行建模，并将其表面用三角形网格剖分。

3.根据权利要求1所述的不等间距紧耦合阵列天线优化方法，其特征在于：步骤2所述产生初始种群，随机生成一组数字，表示连接板的宽度，具体如下：

设置好遗传算法中基因数、种群数、进化代数；其中，基因是表示优化的阵列天线之间连接板的个数，种群是指组成多少种阵列天线；随机生成一组数字，在0.1到0.9之间，选取10种连接板的宽度，宽度取为[0,0.4,0.8,1.2,1.6,2.0,2.4,2.8,3.2,3.6]，单位为mm，则通过如下公式将0.1到0.9之间的数对应到相应的连接板宽度：

当生成的随机数处于[0.1+0x(0.8/10),0.1+1x(0.8/10))，对应到0；

当生成的随机数处于[0.1+1x(0.8/10),0.1+2x(0.8/10))，对应到0.4；

当生成的随机数处于[0.1+2x(0.8/10),0.1+3x(0.8/10))，对应到0.8；

依次类推，使得0.1到0.9之间的随机数对应到连接板的宽度，且具有同等概率。

4.根据权利要求1所述的不等间距紧耦合阵列天线优化方法，其特征在于：步骤3所述阵元划分，建立缓冲区，提取特征模式，具体如下：

步骤1.1：阵元划分；

采用连接板和天线组合，作为单独的阵元的方案；对10个紧耦合天线单元，组合完之后一共有10个各不相同的天线单元；最左侧的单元指最左侧连接板和与之相邻的天线单元以及右侧连接板组合成的新的单元，中间单元和最右侧单元指剩下的天线单元以及与之相邻的右侧连接板组合成的新的单元；此时，位置关系有10×10种，即：每个阵元都需要与10个阵元作用；提取模式时，考虑最左边单元、中间单元和最右边单元，对于最左边单元，只有右侧连接板在变化所以需要提取10种模式，对于中间单元，与之相邻的左侧和右侧连接板均有10种情况，但只有右侧连接板属于本阵元，因此，提取10种模式，同理，对于最右侧的单元，需要提取10种模式；每个频点一共需要提取30种模式；

步骤1.2，辐射问题缓冲区的建立；

假设有N种连接板的宽度；将最大宽度设为一个天线单元的宽度；将阵列两端固定为单元的宽度，缓冲区大小取为0.4λ；

提取Vivaldi阵列最左侧单元的特征模式，缓冲区沿着与之相邻的右侧方向扩充，连接板的宽度有N种，因此，提取N种模式；对vivaldi阵列最右侧单元提取模式，缓冲区沿着与之相邻的左侧方向扩展，由于存在N种连接板的宽度，因此，需要提取N种特征模式；处于阵列中间的单元，由于左右两侧都存在其它天线单元，因此，对其提取模式，缓冲区需要沿着左右两侧扩展，由于左右两侧连接板的宽度都在随机改变，而右侧连接板属于本阵元，左侧连接板位于缓冲区内，因此，将位于缓冲区内的连接板宽度近似为最大连接板宽度的一半，改变右侧连接板的宽度，因此，也只需要提取N种特征模式；

步骤1.3，提取模式；

对于纯金属结构，矩量法生成的阻抗可以表示成：

Z＝R+jX (1)

其中，Z表示阻抗矩阵，R表示阻抗矩阵的实部，X表示阻抗矩阵的虚部；R和X都是实对称Hermitian算子，可定义为：

其中，Z^*为Z的共轭矩阵；求解阻抗矩阵的广义本征方程可以得到特征模式：

Z(J_n)＝v_nM(J_n) (4)

其中，n代表第n个特征模式，v_n表示第n个特征值，J_n为所求解得到的第n个特征值的特征向量；M称为权重算子，选择M＝R；式(4)可以写成：

(R+jX)(J_n)＝v_nR(J_n) (5)

将v_n＝1+jλ_n代入上式，其中λ_n表示第n个实数特征值，则可以得到本征值方程：

X(J_n)＝λ_nR(J_n) (6)

求解(6)就可以得到所要分析目标的特征电流；

对于包含缓冲区的辐射问题，假设第i个阵元，包含缓冲区之后，未知量增加为矩量法生成的阻抗矩阵扩充为式(6)写成：

其中，扩充之后的阻抗矩阵的实部为虚部为和分别为第i种扩展单元第n个模式的特征值和特征向量；求解完成之后将缓冲区的电流舍弃，即可得到待求目标的模式电流；

步骤1.4，构造源模以及源模复用；

在求得特征模式基础上，引入残差模即源模，组成一组新的特征模式，对阻抗矩阵降阶；

源模由下式(8)求得：

其中，J_sm是残差模，J_exact是矩量法得到的标准电流，表示K项截断线性组合特征模式，α_n表示第n个特征电流对应的系数；

式(8)中的J_exact是矩量法的标准电流，可以表示为阻抗矩阵的逆与右边向量V的乘积：

J_exact＝Z^-1V (9)

因此，式(8)可以写成：

由此可见，源模与右边向量有关；当馈电的相位和幅度发生改变时，右边向量可以写成：

V′＝aV (11)

其中，a表示一个常数；将式(10)两边同时乘一个常数a：

由式(12)可以看出，模式电流J′_n和源模J′_sm都是原来的a倍，而模式电流作为全域基函数成比例变化，因此，当馈源的幅度和相位发生改变的时候，可以重复利用之前构造的源模。