相移表面陣列天線的理論設(shè)計(jì)與優(yōu)化.pdf

1、相移表面（Phase Shifting Surface，PSS）陣列是一類由工作狀態(tài)不同的貼片或者孔徑單元，按照二維矩形柵格排列形成的準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)，它對(duì)入射的平面電磁波起到空間移相的作用。通過調(diào)節(jié)陣列單元的工作狀態(tài)可以形成不同的相位延遲，實(shí)現(xiàn)需要的相位波前。根據(jù)入射電磁波經(jīng)過PSS調(diào)相后的傳播方向，這類陣列可以分成反射型PSS天線和透射型PSS天線，也稱為反射陣和透射陣天線。PSS陣列天線結(jié)合了反射面天線和微帶平面陣列天線的優(yōu)點(diǎn)，表現(xiàn)為陣

2、面剖面低、體積小、重量輕、成本低、易于折疊共形、波束控制自由度大等，已經(jīng)發(fā)展成為無線通信、雷達(dá)和電子對(duì)抗等領(lǐng)域替代傳統(tǒng)曲面口徑天線和相控陣天線的新選擇。
　　本文以PSS陣列的設(shè)計(jì)為重點(diǎn)，結(jié)合不同優(yōu)化算法，對(duì)陣列電性能的提升進(jìn)行了深入的研究，論文的主要內(nèi)容可以概括如下:
　　1.改進(jìn)交替投影算法(Alternative Projection Method，APM)的研究。傳統(tǒng)APM在解決PSS陣列優(yōu)化問題時(shí)，由于算法本身對(duì)初

3、始點(diǎn)的選取十分敏感，需要使用接近優(yōu)化目標(biāo)的結(jié)果作為迭代初始點(diǎn)，否則極易陷入局部值。為了解決這一問題，在算法迭代的過程中引入基于漸變目標(biāo)方向圖的分步式收斂策略，將整個(gè)優(yōu)化的收斂壓力分散到每一個(gè)子目標(biāo)的優(yōu)化過程中，優(yōu)化結(jié)果受初始點(diǎn)的影響大大降低。進(jìn)一步，結(jié)合數(shù)值計(jì)算軟件MATLAB和商業(yè)電磁仿真軟件HFSS實(shí)現(xiàn)了從單元散射參數(shù)仿真，陣列初始激勵(lì)計(jì)算，陣列口徑相位優(yōu)化到天線自動(dòng)化建模和仿真的鏈路式分析、計(jì)算和設(shè)計(jì)流程，大大提高了PSS陣列的優(yōu)

4、化設(shè)計(jì)效率。
　　2.大口徑圓極化賦形反射型PSS陣列的研究?；趫A極化旋轉(zhuǎn)型相移單元具有帶內(nèi)不同頻點(diǎn)散射系數(shù)一致性高，單元工作狀態(tài)可以解析求解等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種單層雙諧振點(diǎn)的開口圓環(huán)反射單元，獲得了寬帶的圓極化工作特性?；诟倪M(jìn)的交替投影算法使用該旋轉(zhuǎn)單元分別設(shè)計(jì)了三種寬帶賦形波束反射陣天線，分別為平方余割波束陣列、中國大陸版圖輪廓波束陣列和多目標(biāo)聚焦波束陣列，并加工和測(cè)試了多目標(biāo)聚焦波束的反射陣列，計(jì)算、仿真和測(cè)試結(jié)果吻合良好

5、，驗(yàn)證了大口徑PSS陣列優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的正確性。
　　3.小口徑透射型PSS陣列的研究。線極化變尺寸微帶透射型PSS單元在通帶內(nèi)往往難以實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的移相周期，造成陣列口徑上部分單元無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)高透射率和足夠的相移量。針對(duì)這一問題，引入粒子群優(yōu)化(Partical Swarm Optimization，PSO)算法到透射陣列的設(shè)計(jì)中，在有限的移相范圍內(nèi)尋找出一組陣面相移分布，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)波束的同時(shí)降低了這類天線的后瓣輻射。其次，提出了一

6、種多層的平行偶極子的旋轉(zhuǎn)型透射PSS單元結(jié)構(gòu)并將其用于圓極化透射陣列的設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)了高增益的圓極化性能。最后，將PSO算法應(yīng)用到圓極化PSS陣列的帶寬優(yōu)化中，分別分析陣面在中心和邊帶頻率處的初始激勵(lì)分布，并優(yōu)化不同頻點(diǎn)處的陣列方向圖，使其增益在整個(gè)頻帶內(nèi)滿足帶寬要求，從陣列的角度實(shí)現(xiàn)了PSS天線的寬帶化設(shè)計(jì)。
　　4.雙面PSS陣列的研究。根據(jù)雙面反射型PSS陣列從偏饋卡塞格倫天線演進(jìn)的事實(shí)，在研究卡塞格倫天線工作原理的基礎(chǔ)上，分

7、析了副面反射陣和主面反射陣口徑上切向入射場(chǎng)和散射場(chǎng)的計(jì)算方法。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種線極化工作的雙面反射型PSS陣列，通過合理設(shè)計(jì)陣列的幾何參數(shù)使得主副陣面上單元的相移區(qū)間小于一個(gè)周期，此舉有利于降低單元的設(shè)計(jì)難度和陣列的空間相位誤差。使用變尺寸的雙環(huán)型反射單元，該雙面反射陣實(shí)現(xiàn)了寬帶高增益的輻射特性。最后，引入極化柵結(jié)構(gòu)代替地板，提出了一種新型的雙面PSS陣列概念。設(shè)計(jì)了一種三層結(jié)構(gòu)的雙模PSS陣列，通過改變饋源的極化方式，能實(shí)現(xiàn)平行