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1、南京航空航天大学 硕士学位论文 阵列天线方向图综合算法及其优化研究 姓名：邵瑞 申请学位级别：硕士 专业：信号与信息处理 指导教师：周建江 20090101 南京航空航天大学硕士学位论文 I 摘摘 要要 随着现代军事技术的发展，能够与载体外形相吻合的天线系统共形天线的研究正日渐 得到人们的重视。阵列天线方向图综合技术是共形天线的核心技术之一。阵列天线方向图综合 的经典方法已经发展得比较成熟，但它们主要适用于线阵、面阵、环形阵等，对于共形阵列还 需深入研究。本课题主要研究阵列天线方向图综合技术以及智能算法在阵列天线方向图优化中 的应用。课题中采用拉格朗日乘数法、蚁群算法和粒子群算法等方法，研究线
2、阵、平面阵和共 形阵的方向图综合。 首先，本文在定义空间坐标系统及其符号表示的基础上，推导了拉格朗日乘数法求解最大 化阵列天线方向性系数的方向图综合算法，并将该算法应用于 8 单元、16 单元线阵以及 88 单 元、1212 单元平面阵的方向图综合中。仿真结果表明，该方法可以准确将阵列天线主瓣指向 设计的期望方向，而且在相同旁瓣电平情况下，第一零点波束宽度接近切比雪夫综合方法的结 果，但设计后的旁瓣电平较高。 其次，根据“天巡者”微小卫星外形结构和技术参数，设计了与其形体共形的阵列天线，并 应用拉格朗日乘数法对其方向图进行综合。仿真结果表明，此方法可以准确控制微小卫星共形 天线阵列的主瓣指向。
3、 最后，针对拉格朗日乘数法中旁瓣水平较高的问题，引入了小生境蚁群算法、混沌蚁群算 法以及线性递减权重粒子群算法等来优化旁瓣电平。论文分析了小生境蚁群算法和混沌蚁群算 法，并将这两种方法应用到 8 单元和 16 单元线阵方向图优化中，给出了仿真结果。结果与切比 雪夫综合法结果相比较表明：在旁瓣电平得到抑制的情况下，第一零点波束宽度接近切比雪夫 综合法设计结果。论文还将粒子群算法应用到 8 单元线阵以及共形阵的方向图优化中。仿真结 果表明阵列天线的旁瓣电平得到了抑制。 关键词：关键词：阵列天线，方向图综合，拉格朗日乘数法，蚁群算法，粒子群算法 阵列天线方向图综合算法及其优化研究 II ABSTRA
4、CT With the continuous development of the modern military technology, conformal array antenna, which has the same shape with the carrier, is drawing more and more attention. Pattern synthesis of array antenna is one of the most essential conformal antenna techniques. It is true that classical method
5、s have been sound and practical. However, most of them employ the linear array, the planar array and the circular array, rather than the conformal array. Therefore, my subject is on the pattern synthesis technology and applying intelligent algorithms in pattern optimization of array antenna. Lagrang
6、e multipliers method, ant colony algorithm, particle swarm optimization are studied to solve the problems concerning the pattern synthesis of the linear array antenna, the planar array antenna and the conformal array antenna. First of all, based on the definition of space coordinate system and its s
7、ymbols, the pattern synthesis algorithm is deduced with Lagrange multipliers method to maximize the directivity of antenna array. This method is used in the pattern synthesis of the linear array with 8, 16 elements and the planar array with 88, 1212 elements. The simulation results show that the mai
8、n lobe of the antenna array accurately points to the expectant direction. And on the same side lobe level, the beamwidth between first nulls in my proposal is close to that in Chebyshev synthesis, but the designed side lobe level is a bit higher. Secondly, based on the outline constructional and the
9、 technical parameters of mini-satellite, we designed a conformal antenna arrays, and used Lagrange multipliers method to carry out its pattern synthesis. The simulation results demonstrate that this method can accurately control the direction of the main lobe of the antenna arrays on mini-satellite.
10、 Finally, the Niche Ant Colony Algorithm (NACA), the Chaos Ant Swarm (CAS) and the Linear Decreasing Weight Particle Swarm Optimization (LDW-PSO) are used to optimize the side-lobe level, for the issue of high level of side lobe in Lagrange multipliers method. This thesis discusses the NACA and CAS
11、algorithm, and applies them to optimize the pattern of linear antenna array with 8 and 16 elements. Comparing the result with that of Chebyshev synthesis, we can see that: when the side lobe level is suppressed, the width of the main lobe is close to that in Chebyshev synthesis. LDW-PSO is also used
12、 to optimize the pattern of linear antenna array with 8 elements, as well as the previous conformal array. The simulation results illustrate that the side lobe level can be suppressed. Key Words: array antenna, pattern synthesis, Lagrange multipliers, ant colony algorithm, PSO 南京航空航天大学硕士学位论文 V 图表清单图
13、表清单 图 1.1 分布在飞机机翼上的共形阵列天线5 图 1.2 卫星数据通信的锥台型共形阵列5 图 1.3 在暗室测试中的机翼表面上的微波传输带的共形阵列5 图 2.1 球坐标系 .10 图 3.1 a 8 单元线阵位置分布示意图17 图 3.1 b 16 单元线阵位置分布示意图17 图 3.2.a 8 单元线阵180= o 100= o 19 图 3.2.b 8 单元线阵180= o 110= o 19 图 3.2.c 8 单元线阵180= o 120= o 19 图 3.2.d 8 单元线阵180= o 130= o 19 图 3.2.e 8 单元线阵180= o 140= o 19 图
14、 3.2.f 8 单元线阵180= o 150= o .19 图 3.2.g 8 单元线阵180= o 160= o 19 图 3.2.h 8 单元线阵180= o 170= o 19 图 3.2.i 8 单元线阵180= o 180= o .19 图 3.3.a 8 单元线阵主瓣指向在方向变化时第一零点波束宽度统计.20 图 3.3.b 8 单元线阵主瓣指向在方向变化时旁瓣电平变化统计.20 图 3.4 切比雪夫综合法与拉格朗日乘数法在旁瓣电平为-11.22dB 的 8 单元阵列方向图比较 20 图 3.5.a 16 单元线阵 180= o 100= o 21 阵列天线方向图综合算法及其优化
15、研究 VI 图 3.5.b 16 单元线阵 180= o 110= o 21 图 3.5.c 16 单元线阵 180= o 120= o 21 图 3.5.d 16 单元线阵 180= o 130= o 21 图 3.5.e 16 单元线阵 180= o 140= o 21 图 3.5.f 16 单元线阵 180= o 150= o .21 图 3.5.g 16 单元线阵 180= o 160= o 21 图 3.5.h 16 单元线阵 180= o 170= o 21 图 3.5.i 16 单元线阵 180= o 180= o .21 图 3.6.a 8 单元与 16 单元线阵主瓣宽度在主瓣
16、指向变化时第一零点波束宽度统计比较22 图 3.6.b 8 单元与 16 单元线阵旁瓣电平在主瓣指向变化时旁瓣电平统计比较22 图 3.71 切比雪夫综合法与拉格朗日乘数法在旁瓣电平为-11.78dB 的 16 单元阵列方向图比 较 22 图 3.8.a 88 单元面阵位置分布23 图 3.8.b 1212 单元面阵位置分布 .23 图 3.9.a 88 单元面阵180= o 100= o 24 图 3.9.b 88 单元面阵180= o 110= o 24 图 3.9.c 88 单元面阵180= o 120= o 24 图 3.9.d 88 单元面阵180= o 130= o 25 图 3.9.e 88 单元面阵180= o 140= o 25 图 3.9.f 88 单元面阵180= o 150= o.25 图 3.9.g 88 单元面阵180= o 160= o 25 图 3.9.h 88 单元面阵180= o 170= o 25 图 3.9.
