一种面向多目标的天线阵列优化设计方法技术

本发明专利技术公开了天线传输效率领域的一种面向多目标的天线阵列优化设计方法，包括以下步骤：在仿真软件中建立发射天线阵列和接收天线阵列模型；进行全波仿真，仿真完成后得到天线系统的散射矩阵S；计算期望得到的聚焦效果所对应的天线的最佳激励分布；计算对应的天线系统传输效率T

【技术实现步骤摘要】
一种面向多目标的天线阵列优化设计方法


[0001]本专利技术属于天线传输效率领域，具体涉及一种面向多目标的天线阵列优化设计方法。

技术介绍

[0002]近年来，基于聚焦天线的无线功率传输是一个活跃的研究领域，目前该技术已经广泛应用于通信系统、智能家居和微波热疗等。之前该方面的研究大部分集中于单焦点天线的无线功率传输系统设计，但在实际生活中，常常会遇到多目标且各目标之间的功率分配要可调节的场景，例如，面对多目标用户的无线信息传输、多个目标肿瘤的微波热疗等。因此，面向多目标且功率可调的无线功率传输具有重要的研究价值和现实意义。
[0003]目前主要是通过优化算法来获得无线功率传输的最佳馈电激励分布，例如采用Levenberg
‑
Marquardt算法和人工神经网络算法。但是，这些方法都需要庞大的算力来支撑大量的迭代次数。如果天线单元数量很多，需要消耗大量时间。实现无线功率传输的另一种方法是使用时间反演(Time Reversal,TR)方法，在D.S.Zhao and M.Zhu.Generating microwave spatial fields with arbitrary patterns[J].IEEEAntennas andWireless Propagation Letters,2016,(15):1739
‑
1742和D.S.Zhao.Shaping microwave field of arbitrary intensity patterns in bounded area by time reversal mirror[C].2016Progress in Electromagnetic Research Symposium(PIERS),2016,4428
‑
4428.中，已经成功地在具有合成激发分布的封闭金属腔内实现了几个TR聚焦场，但是大多数无线功率传输的场景并不在金属腔内，而是在开放空间中。2019年，在J.W.Wu,R.Y.Wu,X.C.Bo,L.Bao,X.J.Fu,and T.J.Cui.Synthesis algorithm for near
‑
field power pattern control and its experimental verification via metasurfaces[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2019,(67):1073
–
1083.中，一种开放空间中近场功率方向图的合成算法被提出，通过一种新的编码元表面实现最佳相位分布，覆盖整个2π，幅度略有波动，但是这种方法仍然需要大量时间进行迭代计算。同时，源和超表面之间的距离是30λ0(λ0指自由空间的波长)，对于低频应用来说距离过长。
[0004]在提高系统的功率传输效率方面，现有的方法是最大功率传输效率法，即：将两个天线阵列之间的功率传输效率作为目标函数来优化发射阵列和接收阵列的激励分布阵列天线设计方法。但是，这种最大功率传输效率法无法满足某些特定场景需求下的阵列天线设计，如多波束天线中需要不同的波束有着特定的增益、相控阵天气雷达所使用的阵列天线需要主瓣内增益波动尽量小等。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种面向多目标的天线阵列优化设计方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0006]本专利技术的目的可以通过以下技术方案实现：
[0007]一种面向多目标的天线阵列优化设计方法，包括以下步骤：
[0008]在仿真软件中建立发射天线阵列和接收天线阵列模型；
[0009]进行全波仿真，仿真完成后得到天线系统的散射矩阵S；
[0010]计算得到计算期望得到的聚焦效果所对应的天线的最佳激励分布；
[0011]计算对应的天线系统传输效率T
array
；
[0012]在仿真软件中查看目标位置处的电场分布，验证是否得到了预期的聚焦效果。
[0013]优选地，所述发射天线阵列采用矩形微带贴片天线作为阵元，将天线单元等距排列在介质基板上，间距为λ/2，λ是空气中波长，接收天线阵列采用金属半波偶极子作为单元，同样以等距排列在发射天线阵列上方位置，间距为λ/2。
[0014]优选地，所述散射矩阵如下：
[0015][0016]优选地，所述步骤3中的最佳激励分布通过步骤2中散射矩阵S中的S
rt
带入下式，并根据自身需求设置矩阵W，求解该天线系统的最佳激励分布a
t
：
[0017]a
t
＝A
‑1S
rtH
(S
rt
A
‑1S
rtH
)
‑1Wy.
[0018]其中，A＝[S
rt
]H
[S
rt
].上标T和H分别表示矩阵转置和矩阵共轭转置，y是控制权重的列向量，默认设为全1，W为引入加权系数对角矩阵，加权对角矩阵的对角线上的每一个加权系数对应着一个接收天线所在位置。
[0019]优选地，通过修改矩阵W的对角线数据，调节接收天线的权重，即可任意调节天线发射的能量聚焦点位置，使焦点组成不同图形。
[0020]优选地，所述天线系统传输效率T
array
为接收天线阵列接收到的功率与输入到发射天线阵列的功率的比值，用下式表示：
[0021][0022]当接收天线阵列各个单元都匹配时，则[a
r
]＝0，得到下式：
[0023][0024]本专利技术的有益效果：
[0025]1、本专利技术方法采用加权约束最大功率传输效率方法，将系统功率传输效率最大化的同时，在开放区域中产生期望的聚焦电场分布图案，其中，焦点的数量及所在空间位置，都可以通过修改接收天线接收到的功率权重系数控制，能够满足特定场景需求下的阵列天线设计，相比于其他优化天线功率传输效率的方法，计算时间大大减少。
附图说明
[0026]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来
讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0027]图1是本专利技术的方法流程图；
[0028]图2是本专利技术中天线模型图；
[0029]图3是本专利技术中天线系统的回波损耗效果图；
[0030]图4是本专利技术中天线编号图；
[0031]图5是本专利技术中仿真软件操作图；
[0032]图6是本专利技术中散射矩阵的含义图；
[0033]图7是本专利技术中第一代码效果图；
[0034]图8是本专利技术中第二代码效果图；
[0035]图9是本专利技术中最佳激励分布图；
[0036]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向多目标的天线阵列优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：在仿真软件中建立发射天线阵列和接收天线阵列模型；步骤2：进行全波仿真，仿真完成后得到天线系统的散射矩阵S；步骤3：计算期望得到的聚焦效果所对应的天线的最佳激励分布；步骤4：计算对应的天线系统传输效率T
array
；步骤5：在仿真软件中查看目标位置处的电场分布，验证是否得到了预期的效果。2.根据权利要求1所述的一种面向多目标的天线阵列优化设计方法，其特征在于，所述步骤1中发射天线阵列采用矩形微带贴片天线作为阵元，将天线单元等距排列在介质基板上，间距为λ/2，λ是空气中波长，接收天线阵列采用金属半波偶极子作为单元，同样以等距排列在发射天线阵列上方位置，间距为λ/2。3.根据权利要求1所述的一种面向多目标的天线阵列优化设计方法，其特征在于，所述步骤2中散射矩阵如下：4.根据权利要求3所述的一种面向多目标的天线阵列优化设计方法，其特征在于，所述步骤3中的最佳激励分布通过步骤2中散射矩阵S中的S
rt
带入下式，并根据自身需求设置矩阵W，求解该天线系统的最佳激励分布a
t
：a
t
＝A
‑1S
rtH
(S
rt
A

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡潇，徐梦驰，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：