准均匀阵元间距毫米波低副瓣电平串馈微带天线参数设计方法技术

本发明专利技术公开了一种准均匀阵元间距毫米波低副瓣电平串馈微带天线参数设计方法，采用电磁场全波仿真软件与差分进化算法(Differential Evolution Algorithm,DEA)相结合进行天线参数联合优化。在给定约束条件的情况下，获得天线阵元的间距、阵元的谐振长度和阵元宽度的优化解。采用DEA，可以将波束宽度、波束偏转角、天线阵元的间距、阵元的谐振长度和阵元的相对宽度作为优化的约束条件输入。本发明专利技术参数实现的串馈微带天线具有低副瓣电平的特点。相比等间距的切比雪夫理想点源阵列，在相同波束宽度的情况下，准均匀阵元间距的串馈微带天线的副瓣电平接近于切比雪夫理论解给出的副瓣电平。

Parameter design method of microstrip antenna with millimeter wave low sidelobe level and quasi uniform array spacing

The invention discloses a method for designing the parameters of millimeter wave low sidelobe series-fed microstrip antenna with quasi-uniform element spacing, and uses the electromagnetic field full-wave simulation software and the differential evolution algorithm (DEA) to optimize the parameters of the antenna jointly. Given the constraints, the optimal solutions of the antenna element spacing, the resonant length and the element width are obtained. With DEA, the beam width, beam deflection angle, antenna element spacing, resonant length and relative width of the element can be input as constraints for optimization. The string fed microstrip antenna realized by the parameters of the invention has the characteristics of low sidelobe level. The sidelobe level of quasi-uniform array-spacing series-fed microstrip antenna is close to the sidelobe level given by Chebyshev theory under the same beam width compared with the ideal point source array with equal spacing.

【技术实现步骤摘要】
准均匀阵元间距毫米波低副瓣电平串馈微带天线参数设计方法
本专利技术涉及一种准均匀阵元间距毫米波低副瓣电平串馈微带天线参数设计方法；基于一种目前应用广泛的串馈微带天线结构，采用电磁场全波仿真软件结合差分进化算法(DifferentialEvolutionAlgorithm,DEA)联合优化天线阵元的间距、阵元宽度和阵元长度，属于天线

技术介绍
天线是无线移动通信系统的重要组成部分。随着第五代移动通信的快速发展和对毫米波频段的开发应用，对体积小、成本低、高增益以及易集成的毫米波频段天线产生迫切需求。微带天线具有易共形、易集成、易获得各种极化和多频段工作等优点。而串馈结构的天线阵相比并馈天线阵，结构更紧凑，体积更小。副瓣电平是天线的一个十分重要的参数。现有的工作在毫米波频段的串馈微带天线阵，一般利用切比雪夫分布、泰勒分布等经典分布算法，利用阵元振幅的锥削分布，调整阵元的宽度，实现对副瓣电平的抑制。但是，在毫米波频段，阵元之间的互耦效应和微带馈线的寄生辐射越加明显，阵元的宽度和阵元振幅不成正比例关系，手动调节或利用电磁场全波仿真软件自带的优化方法调节阵元宽度没法实现给定的电流振幅分布。因此，在满足窄波束的情况下，无法同时获得与切比雪夫分布或泰勒分布理论解接近的副瓣电平。也就是说，单单采用电磁场全波仿真软件优化的到的副瓣电平往往与切比雪夫分布理论或者泰勒分布理论解给出的副瓣电平差距较大。
技术实现思路
专利技术目的：为了使毫米波串馈微带天线在满足一定波束宽度的情况下，实现更低的副瓣电平，除阵元宽度可调外，加入阵元间距和阵元长度作为两组新的可调参数，从而设计出比等间距串馈微带天线性能更优的准均匀阵元间距串馈微带天线。本专利技术采用电磁场全波仿真软件结合差分进化算法(DifferentialEvolutionAlgorithm,DEA)联合优化，设计了中心馈电和端点馈电的准均匀阵元间距串馈微带天线的参数。本专利技术方法实现的天线可以产生更低的副瓣电平，而且天线的辐射特性相比现有的等间距串馈微带天线没有恶化。技术方案：一种准均匀阵元间距毫米波低副瓣电平串馈微带天线参数设计方法，通过电磁场全波仿真软件结合差分进化算法(DifferentialEvolutionAlgorithm,DEA)联合优化，寻找在要求的波束宽度和波束偏转范围内，满足工程约束条件的副瓣电平优化解。DEA优化算法包括主函数、主函数调用的多个子函数和需要优化的适应度函数，在主函数和需要优化的适应度函数中，引入阵元宽度、阵元长度、阵元间距和波束宽度、波束偏转角的约束条件。主函数调用的多个子函数可直接从相关的MATLAB工具箱获得。适应度函数中的线阵方向图数据由电磁场全波仿真软件准确获得，可从中提取副瓣电平、波束宽度和波束偏转角，然后在一系列由电磁场全波仿真软件导出的远场方向图中，淘汰不满足波束宽度和波束偏转角要求的解，寻找副瓣电平优化解；在DEA主函数中，加入阵元间距、阵元宽度和长度的约束条件，确保联合优化给出的解在工程实践上可行、易于加工。天线阵中阵元间距在小范围内优化，为准均匀阵元间距结构。此准均匀阵元间距的串馈微带天线模型以中心馈电和端点馈电两种形式实现，天线模型包括中心馈电模型和端点馈电模型。天线最终采用印刷电路板(PrintedCircuitBoard，PCB)工艺加工。其中，中心馈电模型主要包括同轴探针馈电端口、矩形微带天线阵元以及连接阵元的微带线，端点馈电模型主要包括同轴SMA馈电端口、接地共面波导(GroundedCoplanarWaveguide,GCPW)、矩形微带天线阵元以及连接阵元的微带馈线。天线阵元的尺寸与工作频率和振幅分布有关。中心阵元的宽度和长度可由近似公式计算得出并进行仿真优化获得；阵列中，其他锥削分布的阵元的长度和宽度由DEA和HFSS联合优化自动给出。有益效果：与现有等间距串馈微带天线相比，本专利技术具有如下优点：1)能够在相同波束宽度的情况下，实现接近于切比雪夫理论解给出的副瓣电平。由于加入了阵元间距和阵元长度作为两组新的优化参数，相比仅以阵元宽度为变量的等间距串馈微带天线，可优化的范围增加，天线副瓣电平性能更好。2)相比等间距串馈微带天线阵，将阵元的宽度、阵元间距和阵元长度同时作为优化变量，增加了可优化的范围。相比等间距串馈微带天线阵，阵元间距小范围内可调，引入了准均匀阵元间距结构，使得阵元与阵元之间采用直的馈线连接就可以保证各个阵元同相。既减小了天线的空间尺寸，又减小了馈线的损耗，因而更加适用于毫米波频段。3)在实现有益效果1)的情况下，天线其他辐射性能依旧能够保持。4)联合优化中，既考虑了工程上能够实现的约束条件如阵元间距和阵元尺寸和波束宽度，又考虑了阵元与阵元之间的互耦和微带馈线的寄生辐射，使得结果更加准确，因此更加适用于毫米波频段。5)DEA主函数适用范围广，可优化不同阵元个数、不同波束宽度要求的天线。理论优化考虑工程约束条件，可实现性强。附图说明图1为本专利技术中电磁场全波仿真软件HFSS和DEA联合优化流程图；图2为本专利技术的中心馈电准均匀阵元间距天线俯视图；图3为本专利技术的中心馈电准均匀阵元间距天线侧视图；图4为本专利技术的端点馈电准均匀阵元间距天线(未加转接)俯视图；图5为微带转基片集成波导转接地共面波导转接结构底面图；图6为微带转基片集成波导转接地共面波导转接结构正面图；图7为本专利技术的中心馈电天线副瓣电平随频率变化的示意图；图8为本专利技术的端点馈电天线(加转接)副瓣电平随频率变化的示意图；图9为本专利技术的中心馈电天线增益随频率变化的示意图；图10为本专利技术的端点馈电天线(加转接)增益随频率变化的示意图；图11为本专利技术的中心馈电天线回波损耗随频率变化的示意图；图12为本专利技术的端点馈电天线(加转接)回波损耗随频率变化的示意图；图13为本专利技术的中心馈电准均匀阵元间距天线和等间距切比雪夫分布点源，在38.0GHz处的E面仿真和理论方向图；图14为本专利技术的端点馈电准均匀阵元间距天线(未加转接)和等间距切比雪夫分布点源，在38.0GHz处的E面仿真和理论方向图；图15为本专利技术的中心馈电准均匀阵元间距天线，在38.0GHz处的E面仿真和实测方向图；图16为本专利技术的端点馈电准均匀阵元间距天线(加转接)，在38.0GHz处的E面仿真和实测方向图；图17为本专利技术的中心馈电准均匀阵元间距天线，在38.0GHz处的H面仿真和实测方向图；图18为本专利技术的端点馈电准均匀阵元间距天线(加转接)，在38.0GHz处的H面仿真和实测方向图。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐明本专利技术，应理解这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围，在阅读了本专利技术之后，本领域技术人员对本专利技术的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。一种准均匀阵元间距毫米波低副瓣电平串馈微带天线参数设计方法，如①.除了将阵元的宽度作为一组优化变量外，同时加入阵元间距和阵元长度作为另两组优化变量。②.引入准均匀阵元间距结构，阵元与阵元之间采用直的微带馈线连接。③.联合优化中，既考虑了工程上的约束条件如阵元尺寸、波束宽度和波束偏转角，又考虑了阵元与阵元之间的互耦和微带馈线的寄生辐射。利用电磁场全波仿真软件结合DEA进行多参优化得到副瓣电平的优化解，进而半自动本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种准均匀阵元间距毫米波低副瓣电平串馈微带天线参数设计方法，其特征在于：通过电磁场全波仿真软件结合差分进化算法联合优化，寻找在要求的波束宽度和波束偏转范围内，满足工程约束条件的副瓣电平优化解。

【技术特征摘要】
1.一种准均匀阵元间距毫米波低副瓣电平串馈微带天线参数设计方法，其特征在于：通过电磁场全波仿真软件结合差分进化算法联合优化，寻找在要求的波束宽度和波束偏转范围内，满足工程约束条件的副瓣电平优化解。2.如权利要求1所述的准均匀阵元间距毫米波低副瓣电平串馈微带天线参数设计方法，其特征在于：DEA优化算法包括主函数、主函数调用的多个子函数和需要优化的适应度函数，在主函数和需要优化的适应度函数中，引入阵元宽度、阵元长度、阵元间距和波束宽度、波束偏转角的约束条件。3.如权利要求1所述的准均匀阵元间距毫米波低副瓣电平串馈微带天线参数设计方法，其特征在于：天线的阵元与阵元之间采用直的微带馈线连接。4.如权利要求2所述的准均匀阵元间距毫米波低副瓣电平串馈微带天线参数设计方法，其特征在于：在适应度函数中,同时体现了副瓣电平信息、波束宽度信息和波束偏转角信息，从电磁场全波仿真软件中导出远场以后，提取出副瓣电平、波束宽度和波束偏转角信息，先确定要求的波束...

【专利技术属性】
技术研发人员：王海明，严建杰，尹杰茜，余晨，洪伟，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32