非矩形脉冲调制下具有稳定辐射参数的阵列天线及其方向图综合算法研究

Most of the existing researches on time-modulated antenna arrays assume a hypothesis that the switching response of RF switch satisfies a rectangular pulse, and the radiation patterns having been discussed are average values of a modulation period. However, an actual RF have a "transit time" when it switches from on to off, or the opposite. So the switch response can be more appropriately described by a trapezoidal pulse. Moreover, the transient patterns caused by time modulation during a cycle are unstable, which is harmful to the reliability of the whole system. Based on the above problems, in this project, the non-rectangular-pulse-modulated arrays with stable radiation parameters are explored through setting appropriate time schemes as well as seeking more excellent synthesizing algorithms, and the way to get ultra-low sidelobe linear\planar arrays, reconfigurable antenna arrays and scanned arrays (focus on the trapezoidal pulse) are further explored, respectively. The purpose is to provide a credible model and valuable guidelines for the practical engineering of the time-modulated antenna arrays.

现有针对时间调制阵列天线的研究大都以假定射频开关的开关响应满足矩形脉冲分布为前提，并且讨论的辐射方向图是一个周期内的平均值。然而，一个实际的射频开关从断开到接通，以及从接通到断开之间都存在一定的“渡越时间”，其开关响应用一个梯形脉冲来描述更符合实际情况。而且，由时间调制导致的瞬态辐射方向图在一个周期内的不稳定性会对系统的可靠性产生较大影响。基于上述问题，本项目拟通过设置合适的时间激励策略并探寻更为优异的阵列综合算法，研究在保持方向图较为稳定的前提下，非矩形脉冲（重点研究梯形脉冲）调制的阵列天线在超低副瓣直线阵\平面阵设计、可重构阵列天线设计、可扫描阵列天线设计等问题中的实现方案。旨在为时间调制阵列天线的实际工程应用提供较为可信的方案模型和有价值的理论参考。

本项目首先以具有稳定辐射参数的时间调制阵列天线（TMAA）为优化目标，提出了两种机制的TMAA，并采用差分进化算法（DE）来抑制谐波辐射和保持方向性系数的稳定性。接下来，以含有较多单元的稀布阵列天线为优化为目标，基于DE等启发式算法，提出了一系列针对稀布直线阵列，以及不同尺寸的稀布平面阵列天线进行方向图综合的高效、全局优化算法。这些算法的共同点表现在：其一，通过对阵列孔径的合理划分，把对单元放置的强约束问题转化为低约束\无约束问题。其二，结合迭代傅里叶算法（IFT）、部分密度锥削（PDT）等策略，为DE等启发式算法提供更好的初始解，有利于降低算法的执行次数，促进算法尽快收敛到满意解。其三，通过引入适当的单元选取规则，大幅降低了待优化单元的数目，从而能够在较大尺寸稀布阵列的优化中，大幅削减算法的寻优空间，避免算法陷入随机搜索。在上述改进的基础上，通过对不同尺寸，尤其是较大尺寸的稀布阵列天线（包括RSPA，CSPA，SCRA，UECRA）的优化结果表明，与现有算法相比，本项目提出的算法能够在较小的计算负担下，明显提升阵列的指标参数，因此具备更好的全局收敛能力。鉴于稀布阵列天线在卫星通信、雷达、射电天文等领域的应用，故本项目的研究，不但具有理论意义，还可为稀布阵列天线的工程设计提供有价值的参考。