论文部分内容阅读
脉冲超宽带技术具有定位精度高、传输速率高、穿透能力强、抗干扰能力强、保密性好等其他通信技术无可比拟的优势,被广泛应用在无线通信、地质探测、雷达测距定位及基于位置的服务(Location-based services,LBS)等领域,令基于脉冲超宽带技术的时域波束扫描阵列天线具有十分广阔的应用前景。脉冲超宽带信号的时域瞬态特性决定了脉冲超宽带天线的研究与传统基于频域的天线研究不同,因而在时域对脉冲超宽带天线开展研究具有十分重要的理论意义和应用价值。本文基于时域瞬态特性对应用于LBS系统的Vivaldi波束扫描阵列天线进行了研究,探索了开展脉冲超宽带天线的时域分析方法,明晰了脉冲超宽带天线脉冲信号波形选择的原则及波束扫描阵列天线的工作机理,以波形保真度和能量方向图两个重要时域特性参数作为评价指标进行脉冲超宽带天线的优化设计,实现了在全频段、全波束扫描范围内对多个天线指标参数的联合优化设计,解决了频域方法无法直接给出脉冲超宽带天线的时域响应、难以描述其全带宽内性能、难以直接针对其时域特性进行优化等问题。本文的主要研究内容包括:(1)脉冲超宽带天线的时域特性建模。本文首先从通信系统的角度给出了脉冲超宽带天线的无失真传输条件以及波形保真度、能量方向图等重要时域参数的定义;对脉冲超宽带天线发射及接收脉冲信号的过程进行时域特性建模;研究了不同激励信号对于脉冲超宽带天线波形保真度的影响,提出了基于波形保真度进行脉冲信号选择的方法;并分析了一种重要的脉冲超宽带天线—Vivaldi天线的时域特性参数,为本文后续研究工作提供了理论依据及数据参考。(2)改进了标准差分进化算法和多目标优化广义差分进化算法。通过对脉冲超宽带天线的优化设计问题进行建模,并结合电磁仿真优化问题的特点对标准差分进化算法和多目标优化广义差分进化算法加以改进,使其在优化过程的不同阶段具有不同的变异策略和控制参数,在种群多样性和收敛速度之间取得相对平衡的同时增强了算法的局部寻优能力;并将改进的差分进化算法应用于介质加载Vivaldi天线的优化设计以及后续的波束扫描阵列的优化设计中。(3)Vivaldi天线空间波形保真度的优化设计。本文重点针对时域波束扫描阵列天线的工作特点,提出了一种基于介质加载在空间范围内改善Vivaldi天线波形保真度的方法,并通过对介质加载Vivaldi天线的设计与实现验证了该方法的有效性。(4)一维及二维时域波束扫描阵列时域方向图特性研究。本文给出了一维及二维时域波束扫描阵列的方向图综合一般性方法,分析了不同间距的一维及二维均匀波束扫描阵列天线的时域方向图性能;随后利用本文提出的混合变异策略和控制参数的广义多目标差分进化算法对一维及二维波束扫描阵列天线进行了优化设计,实现了在整个波束扫描范围内同时对多个天线指标参数的联合优化设计,使其在整个波束扫描范围内获得了更窄的平均波束宽度和更低的副瓣电平。