摘要: 天线阵具有高增益、低旁瓣、波束可控等优点，已经成为车载雷达系统的重要部分，对于提升雷达探测距离、分辨率等关键性能起到重要作用。同时，为了实现天线阵低造价成本、低系统复杂度和高性能指标，一般采用稀疏天线阵或稀布天线阵的布局形式减少阵... 展开 天线阵具有高增益、低旁瓣、波束可控等优点，已经成为车载雷达系统的重要部分，对于提升雷达探测距离、分辨率等关键性能起到重要作用。同时，为了实现天线阵低造价成本、低系统复杂度和高性能指标，一般采用稀疏天线阵或稀布天线阵的布局形式减少阵列单元个数，以满足设计轻量化和高性能的要求。然而，在稀疏以及稀布天线阵的布局设计中，仍存在一些挑战。1）在大规模稀疏天线阵布局设计中，现有设计方法存在求解速度慢、局部收敛（求解过程依赖初始值）以及收敛稳定性差的问题，需要研究建立快速稳健的稀疏天线阵布局优化设计方法。本文针对平面稀疏天线阵，研究基于拓扑优化的稀疏天线阵布局设计方法，建立优化模型并合成了矩形平面稀疏天线阵。2）在稀布天线阵布局设计中，常规理论合成方法难以在优化设计中有效地考虑布局形式变化所导致的互耦效应变化，不利于实现性能的精准设计。同时，为了实现多个阵列单元在设计域中的分布寻优，常需要设置大量的不重叠约束，不利于优化问题的高效求解。本文针对平面稀布天线阵，研究建立考虑互耦效应与不重叠约束的稀布天线阵布局设计合成方法，具体基于参数化矩量法以及拓扑优化中组件移动法，建立优化模型并对平面稀布天线阵进行设计。具体内容如下： （1）分别基于方向图乘积定理以及参数化矩量法，给出了用梯度优化算法求解低旁瓣天线阵方向图合成问题的方法。为了建立低旁瓣天线阵合成的优化模型，分别基于方向图乘积定理和坐标映射的参数化矩量法，建立不考虑阵元间的互耦效应以及考虑阵元间的互耦效应下的性能分析模型。分别基于方向图乘积定理以及参数化矩量法的控制方程，推导目标函数的灵敏度信息以便于利用梯度优化算法快速求解优化问题。 （2）基于拓扑优化的稀疏天线阵布局设计优化方法。首先，将稀疏天线阵布局设计问题等效转换成在均匀满阵中各阵元是否存在的拓扑优化问题，以最大旁瓣电平最小化为目标函数，通过引入惩罚项获得阵元位置0-1离散分布的解，并利用设计变量连续化策略进而使用梯度优化算法进行求解。对少量处于0、1之间的阵元位置变量规整后得到天线阵的布局形式，在此布局基础上再次进行相位优化，得到优化结果。最后，通过典型数值算例计算结果表明：所提出的方法可以能够有效求解低旁瓣天线阵的稀疏化设计问题。 （3）基于参数化矩量法的稀布天线阵布局设计优化方法。将稀布平面阵列的每个阵元的转角和位置作为设计变量，建立以主波束增益最大化以及最大旁瓣电平最小化为目标的优化设计模型。考虑到描述大量不重叠约束需要大规模的约束函数，不利于优化求解。故基于水平集拓扑优化的理论框架，将不重叠约束转换成体积约束，实现一个约束来实施大规模的不重叠约束。在优化进程中使用参数化矩量法以严格考虑天线阵的互耦效应。解析计算目标函数以及非重叠约束函数关于设计变量的灵敏度信息，并通过梯度优化算法实现优化问题的有效求解。最后，提供了典型的算例来验证所提出优化方法有效性。 收起