相移表面陣列天線的理論設(shè)計與優(yōu)化.pdf

1、相移表面（Phase Shifting Surface，PSS）陣列是一類由工作狀態(tài)不同的貼片或者孔徑單元，按照二維矩形柵格排列形成的準周期結(jié)構(gòu)，它對入射的平面電磁波起到空間移相的作用。通過調(diào)節(jié)陣列單元的工作狀態(tài)可以形成不同的相位延遲，實現(xiàn)需要的相位波前。根據(jù)入射電磁波經(jīng)過PSS調(diào)相后的傳播方向，這類陣列可以分成反射型PSS天線和透射型PSS天線，也稱為反射陣和透射陣天線。PSS陣列天線結(jié)合了反射面天線和微帶平面陣列天線的優(yōu)點，表現(xiàn)為陣

2、面剖面低、體積小、重量輕、成本低、易于折疊共形、波束控制自由度大等，已經(jīng)發(fā)展成為無線通信、雷達和電子對抗等領(lǐng)域替代傳統(tǒng)曲面口徑天線和相控陣天線的新選擇。
　　本文以PSS陣列的設(shè)計為重點，結(jié)合不同優(yōu)化算法，對陣列電性能的提升進行了深入的研究，論文的主要內(nèi)容可以概括如下:
　　1.改進交替投影算法(Alternative Projection Method，APM)的研究。傳統(tǒng)APM在解決PSS陣列優(yōu)化問題時，由于算法本身對初

3、始點的選取十分敏感，需要使用接近優(yōu)化目標(biāo)的結(jié)果作為迭代初始點，否則極易陷入局部值。為了解決這一問題，在算法迭代的過程中引入基于漸變目標(biāo)方向圖的分步式收斂策略，將整個優(yōu)化的收斂壓力分散到每一個子目標(biāo)的優(yōu)化過程中，優(yōu)化結(jié)果受初始點的影響大大降低。進一步，結(jié)合數(shù)值計算軟件MATLAB和商業(yè)電磁仿真軟件HFSS實現(xiàn)了從單元散射參數(shù)仿真，陣列初始激勵計算，陣列口徑相位優(yōu)化到天線自動化建模和仿真的鏈路式分析、計算和設(shè)計流程，大大提高了PSS陣列的優(yōu)

4、化設(shè)計效率。
　　2.大口徑圓極化賦形反射型PSS陣列的研究?；趫A極化旋轉(zhuǎn)型相移單元具有帶內(nèi)不同頻點散射系數(shù)一致性高，單元工作狀態(tài)可以解析求解等優(yōu)點，設(shè)計了一種單層雙諧振點的開口圓環(huán)反射單元，獲得了寬帶的圓極化工作特性?；诟倪M的交替投影算法使用該旋轉(zhuǎn)單元分別設(shè)計了三種寬帶賦形波束反射陣天線，分別為平方余割波束陣列、中國大陸版圖輪廓波束陣列和多目標(biāo)聚焦波束陣列，并加工和測試了多目標(biāo)聚焦波束的反射陣列，計算、仿真和測試結(jié)果吻合良好

5、，驗證了大口徑PSS陣列優(yōu)化設(shè)計方法的正確性。
　　3.小口徑透射型PSS陣列的研究。線極化變尺寸微帶透射型PSS單元在通帶內(nèi)往往難以實現(xiàn)一個完整的移相周期，造成陣列口徑上部分單元無法同時實現(xiàn)高透射率和足夠的相移量。針對這一問題，引入粒子群優(yōu)化(Partical Swarm Optimization，PSO)算法到透射陣列的設(shè)計中，在有限的移相范圍內(nèi)尋找出一組陣面相移分布，實現(xiàn)目標(biāo)波束的同時降低了這類天線的后瓣輻射。其次，提出了一

6、種多層的平行偶極子的旋轉(zhuǎn)型透射PSS單元結(jié)構(gòu)并將其用于圓極化透射陣列的設(shè)計中，實現(xiàn)了高增益的圓極化性能。最后，將PSO算法應(yīng)用到圓極化PSS陣列的帶寬優(yōu)化中，分別分析陣面在中心和邊帶頻率處的初始激勵分布，并優(yōu)化不同頻點處的陣列方向圖，使其增益在整個頻帶內(nèi)滿足帶寬要求，從陣列的角度實現(xiàn)了PSS天線的寬帶化設(shè)計。
　　4.雙面PSS陣列的研究。根據(jù)雙面反射型PSS陣列從偏饋卡塞格倫天線演進的事實，在研究卡塞格倫天線工作原理的基礎(chǔ)上，分

7、析了副面反射陣和主面反射陣口徑上切向入射場和散射場的計算方法。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種線極化工作的雙面反射型PSS陣列，通過合理設(shè)計陣列的幾何參數(shù)使得主副陣面上單元的相移區(qū)間小于一個周期，此舉有利于降低單元的設(shè)計難度和陣列的空間相位誤差。使用變尺寸的雙環(huán)型反射單元，該雙面反射陣實現(xiàn)了寬帶高增益的輻射特性。最后，引入極化柵結(jié)構(gòu)代替地板，提出了一種新型的雙面PSS陣列概念。設(shè)計了一種三層結(jié)構(gòu)的雙模PSS陣列，通過改變饋源的極化方式，能實現(xiàn)平行