非理想阵列天线的容差分析及优化设计算法研究

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在实际工程中,受制造工艺和工作环境等因素的影响,阵列天线的控制参数通常存在一定的误差。这些不确定性误差会引起天线阵激励幅度和相位的不确定性,从而导致天线的性能参数在一定范围内产生波动。因此,在实际天线阵系统的分析和设计过程中有必要预估出这些不确定性因素对天线性能所造成的影响,从而减少阵列校正造成的时间及成本损耗,并保证阵列误差存在时天线阵仍能获得期望的辐射性能。本文主要围绕非理想阵列天线的容差分析和优化设计两个方面展开研究,具体工作如下:1、采用非概率区间分析(IA)方法对非理想均匀线阵进行了容差分析,考虑天线阵的幅度误差和相位误差,分别建立了两种误差单独或同时存在时的阵列天线功率方向图函数的区间模型,并结合实际的指标要求仿真分析了旁瓣电平、主瓣宽度、方向性系数等主要性能参数对幅相联合误差的容限,从而估计出天线所允许的最差性能情况,为天线设计提供了理论参考。2、针对IA算法在误差较大或同时存在多种误差时产生的区间扩张问题,提出了二阶摄动法,将小区间不确定参量的解区间求解问题转化为求解系统响应的低阶Taylor展开摄动量,从而更好的逼近实际功率变化区间。仿真结果表明,在一定的误差范围内,可使用二阶摄动法代替IA法来计算阵列功率方向图函数的区间值,从而有效提高计算精度。3、针对多种阵列误差存在时的天线阵优化设计问题,提出了区间-凸优化(IA-CP)算法,通过建立基于IA的阵列激励幅值的凸优化模型综合出符合性能指标的功率方向图。相较于现有的区间-粒子群(IA-PSO)算法,本算法在相同的误差情况下能够获得更优的阵列激励参数。此外,本文还综合考虑了多种阵列误差(包括幅度误差、相位误差、幅相联合误差)以及阵元数对优化结果的影响。仿真实验表明,基于IA-CP算法的阵列综合技术不仅对阵列的幅相误差具有较好的稳健性,而且还能适用于大型天线阵中。
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