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電抗加載天線陣的優(yōu)化設計及性能分析

文檔作者：李戈陽文檔來源：中國艦船研究設計中心		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年07月26日
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第6卷第2期中國艦船研究V01．6 No．2
墊!!笙蘭旦墾墊i翌!!!!!竺翌堂!!曼生P墾!!!竺!! 壘21：蘭Q!!
doi：10．3969／j．issn．1673—3185．2011．02．013
電抗加載天線陣的優(yōu)化設計及性能分析
李戈陽
中國艦船研究設計中心．湖北武漢430064
摘要：為優(yōu)化均勻圓形天線陣的輻射性能．利用矩量法對電抗加載偶極子均勻圓陣的波束形成進行了可行性
分析．并設計了粗選與微擾結(jié)合的電抗加載值序列優(yōu)化計算方法，以滿足指定方向上波束形成的需求。仿真結(jié)果
表明。電抗加載天線陣波束形成方法能有效在期望方向上形成具有較高增益與前后比的波束．且對陣半徑與電
抗加載值的誤差具有一定的容錯能力。該分析方法與計算結(jié)果對電抗加載天線陣的設計與實際T程應用具有一
定的指導意義。
關(guān)鍵詞：電抗加載；偶極子；波束形成；增益；前后比
中圖分類號：U665．26 文獻標志碼：A 文章編號：1673—3185(2011)02—65一04
Optimization Design and Performance Analysis of
Reactance Loaded Antenna Arrays
Li Ge-yang
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China
Abstract：To optimize the radiation performance of circular antenna array，Method of Moments(MoM)
was applied to analyze the feasibility of achieving beam forming by reactance loaded circular antenna array，
which is consisted of symmetrically displaced dipole antennas．Then，coarse and turbulence combi—
nation searching algorithm for reactance loading sequence is proposed for beam forming in specified di—
rection．The simulation results show that beams of relatively high gain and fore—rear ratio can be formed
on required directions，and the errors of array radius and loaded reactance can be tolerated to a certain
extent．The analysis methods and computational results are of certain significance to the design and prac—
tical engineering application of reactance loaded antenna array．
Key words：reactance loaded；dipole；beam forming；gain；fore-rear ratio
1引言
電抗加載天線陣以其結(jié)構(gòu)簡單．不需要多路
接收機．采用對寄生振子進行電抗加載就可實現(xiàn)
波束控制等諸多優(yōu)點．在艦載通信系統(tǒng)N-21、現(xiàn)代
雷達和通信[3]領域得到了廣泛應用。利用寄生振
子控制天線陣輻射方向的方法在本世紀初由日本
學者提出．利用此方法制成的Yagi—Uda天線已在
通信和廣播等領域得到廣泛應用．但將這一方法
上升到理論高度的卻是美國學者Harrington。1978
年．Harrington首次提出電抗加載天線陣理論[4】，
并以七元圓陣為例對增益方向圖進行了綜合優(yōu)
化。用計算結(jié)果證明了理論的有效性。
基于電抗加載天線陣的基本理論．本文設計
了小型均勻圓陣．并計算了天線陣半徑的變化與
電抗加載值的誤差對天線陣電性能的影響。
2電抗加載天線陣的分析與設計
2．1電抗加載原理的矩量法分析
自從1978年Harrington將矩量法應用于電
磁學后．矩量法一直是分析線天線輻射與散射問
題的有效T具i5】。矩量法是一種將線性空間的算
子方程轉(zhuǎn)化為矩陣方程來進行計算的數(shù)值方法。
收稿日期：2010—04—28
基金項目：“十一五”預研基金資助項目
作者簡介：李戈陽(1982一)，男，博士，工程師。研究方向：無線電物理。E-mail：ligeyang_82@163．corn
萬方數(shù)據(jù)
66 中國艦船研究第6卷
本文根據(jù)矩量法原理．采用分段正弦基和伽遼金
法計算了天線陣各單元的電流分布[6]。
根據(jù)矩量法原理．采用分段正弦基和伽遼金
法分析天線。設每根振子均勻分為m+l小段，形
成m個元偶極子．振子的全長為2L．共有n根振
子。在第1根振子的中心，用電壓源‰饋電?？蓸?gòu)
造矩陣方程：
Z11,7,12?Zli
,7,21 Z22‘’‘Z2／
Zil Z訖?Zi
0
0
●
：
yo
●
：
ZNN¨厶J I o
在上式中，N=m×n。令加載的阻抗矩陣為
[磊]，即
[五]= (2)
在矩陣[Z．]中。對角線上的元素為各天線的
加載電抗值。考慮電抗加載后。新的廣義阻抗矩
陣[7]為：
[‰7]=[‰]+[zf，] (3)
求解式(1)，即可得各振子上的電流分布：
[，]_[‰+z，]一[y] (4)
得到每個振子上的電流分布后．即可計算圓
陣的基本輻射性能。
以上分析表明．通過改變天線陣中任一振子
的電抗加載值．即可改變天線陣中各振子的電流
分布．從而改變天線陣的整體輻射特性㈦。因此，
可以考慮采用調(diào)整電抗加載值的方法．盡可能地
增加天線陣在期望方向的增益．抑止旁瓣和壓縮
波束Lgl等。以下將就加載電抗值序列的計算方法
進行分析。
2．2加載電抗值序列的分析計算
對于所研究的電抗加載天線陣．本文分以下
兩步對電抗加載值進行優(yōu)化計算。
步驟一：加載電抗數(shù)值序列的有界粗選。
加載的電抗值必須易于用電感元件或電容元
件實現(xiàn)，這是對優(yōu)化結(jié)果最基本的要求。所以，在
優(yōu)化中．加載電抗值只能在一個有限的區(qū)間內(nèi)變
化Hol，如果初值選取得當．還可大大縮短尋優(yōu)時
間。u]。從工程應用角度出發(fā)．本文將每根天線加載
電抗值的取值范圍設定為(一350，350)Q，取50 Q
為步長．采用窮舉法來計算期望方向上增益達到
最大值時的加載電抗值序列。
步驟二：加載電抗值序列的微擾算法優(yōu)化。
為使天線陣在期望方向上的增益G(O，妒)盡
可能增大。且對旁瓣進行抑止．本文利用微擾的方
法對加載電抗值序列進行了優(yōu)化．以盡可能避免
計算結(jié)果陷入局部最優(yōu)解。為便于描述，設主瓣的
峰值增益為G一，第一副瓣的峰值增益為G。。
計算初值加載序列的G(日，妒)、G一、G。，然后
在初值加載序列基礎上進行擾動．計算天線陣輻
射特性，得到當前增益值G 7(p，妒)、G 7一、G 7。。
1)當G’(8，9)≠G’一時：
(1)若G(O，妒)=G一，則增強擾動，重新計算；
(2)若G(0，妒)≠G。，且G’(8，妒)／G’。sG
(口，妒)／G。，則增強擾動，重新計算；
(3)若G(p，9)≠G。，且G’(穢，妒)／G’一>G
(p，妒)／G。，則接受該組加載值，將G(p，妒)、G。、
G。替換為G7(口，妒)、G 7。、G 7。。
2)當G’(0，妒)=G’一時：
(1)若G(0，妒)=G。，G’(0，9)／G’。≥G(p，
妒)／G。，且G’(p，妒)>G(目，9)，則接受該組加載
值，將G(口，9)、G。、G。替換為G7(口，妒)、G’。、
G’。；
(2)若G(8，妒)=G一，G 7(0，妒)／G’?！軬(0，
妒)尼。，且G7(咿，妒)≤G(口，妒)，則以概率Pl接受
該組加載值，將G(口，妒)、G。、G。替換為G’(0，
9)、G’。、G’。；
(3)若G(O，妒)=G。。，G’(口，妒)／G’。G(臼，妒)，則以概率P2接受該
組加載值，將G(p，妒)、G。、G。替換為G 7(p，9)、
G7。、G’。；
(4)若G(口，9)=G。，G’(伊，9)／G 7。，

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