阵列天线布局与阵列单元拓扑协同优化设计方法

The miniaturization of array antenna will aggravate the mutual coupling among antenna elements, and affect the space-radiation performance of array antennas. This has become the main bottleneck restricting the development of array antenna technology. In order to alleviate the design contradiction between the miniaturization and reducing the mutual coupling among antenna elements, the project contributes to establish an integrated optimization design method of the antenna topology configuration and its array arrangement for guiding the design of miniaturized array antenna with performance improvements. The project will include the following contents: 1) Establishing the structural design method of antenna topology configurations with high radiation meanwhile reducing the mutual coupling effect. 2) Based on the basis idea of topology optimization, establishing the layout design method of non-uniform array arrangements with similar antenna elements for breaking through the limitation of classical arrays. 3) Establishing the integrated design optimization method of antenna topology configuration and its array arrangement. 4) Considering typical design requirements of array antennas, several effective design schemes will be proposed according to the established integrated design method. The research works of this project will provide important assistance for the development of the array antenna technology and the next generation wireless communication systems.

阵列天线的小型化需求致使阵列单元间互相干扰问题严重，影响阵列天线的空间辐射性能，已成为制约阵列天线技术发展的主要瓶颈。本项研究针对阵列小型化和降低单元间互相干扰之间的设计矛盾，旨在研究建立阵列天线布局与阵列单元拓扑协同优化设计方法，通过协同优化设计阵列布局几何和单元拓扑构型，实现小型高辐射性能阵列天线的结构设计。具体包括：1）研究建立兼具辐射和抗干扰功能的阵列单元拓扑构型优化设计方法，通过优化设计单元拓扑，实现单元辐射和抗干扰功能的协调设计；2）基于拓扑优化思想构建相似阵列单元非均匀阵列布局优化设计方法，以寻求经典阵列几何限制的突破；3）研究建立阵列天线布局与阵列单元拓扑协同优化设计方法；4）面向典型需求，设计阵列天线新构型，提出并确认几种优质阵列单元拓扑及阵列布局几何。相关研究可为阵列天线技术的发展以及新一代无线通信系统的研发提供重要助力。

相控阵雷达是我国的重要装备，其运输、调姿态、抗风载需要小型化、轻量化设计。考虑非规律耦合效应的小型非均匀天线阵是有效的布局形式，其设计问题是专业的研究前沿和重点，需要构建创新的设计方法，设计和发现优质的天线构型。项目围绕相控阵天线结构及电控设计问题，研究建立基于拓扑优化的阵列天线布局与阵列单元拓扑协同优化设计方法。具体提出了一种基于拉格朗日坐标描述的、适用于阵列天线布局设计的参数化矩量法分析模型，通过合理构造坐标映射，构造了基于映射的电流场基函数的参数化模型，由虚拟阵元映射出参数化的阵列布局形式，将阵列域的电磁性能变换为在虚拟的单元域内进行求解，能够实现考虑非规律耦合效应的非均匀天线阵的快速参数化建模及性能分析。建立了强耦合天线阵非均匀布局设计的优化模型，解析推导了波束形成中布局参数设计的灵敏度分析列式，并给出了基于梯度优化算法的优化设计问题的求解方法。基于所建立的设计方法，设计了系列优质的天线阵布局几何。研究揭示出：通过合理的非均匀布局设计，各阵元间的非规律互耦效应增强，反而有利于天线阵的性能提升，此新机制为结构优化技术在电磁结构设计领域的拓展应用提供了有力依据。项目严格按照计划开展，取得了多项创新成果。项目执行周期内发表期刊论文8篇（其中SCI论文6篇），授权发明专利7项，参与国际国内学术会议2次，培养硕士研究生4人。相关研究成果可为考虑力学和电磁学性能的相控阵装备的设计研发提供重要技术支持。相关成果目前服务于中电科研究所委托项目，正在推进产业应用。