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电抗加载天线阵的优化设计及性能分析

文档作者：李戈阳文档来源：中国舰船研究设计中心		点击数：	更新时间： 2024年07月26日
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第6卷第2期中国舰船研究V01．6 No．2
垫!!笙兰旦垦垫i翌!!!!!竺翌堂!!曼生P垦!!!竺!! 垒21：兰Q!!
doi：10．3969／j．issn．1673—3185．2011．02．013
电抗加载天线阵的优化设计及性能分析
李戈阳
中国舰船研究设计中心．湖北武汉430064
摘要：为优化均匀圆形天线阵的辐射性能．利用矩量法对电抗加载偶极子均匀圆阵的波束形成进行了可行性
分析．并设计了粗选与微扰结合的电抗加载值序列优化计算方法，以满足指定方向上波束形成的需求。仿真结果
表明。电抗加载天线阵波束形成方法能有效在期望方向上形成具有较高增益与前后比的波束．且对阵半径与电
抗加载值的误差具有一定的容错能力。该分析方法与计算结果对电抗加载天线阵的设计与实际T程应用具有一
定的指导意义。
关键词：电抗加载；偶极子；波束形成；增益；前后比
中图分类号：U665．26 文献标志码：A 文章编号：1673—3185(2011)02—65一04
Optimization Design and Performance Analysis of
Reactance Loaded Antenna Arrays
Li Ge-yang
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China
Abstract：To optimize the radiation performance of circular antenna array，Method of Moments(MoM)
was applied to analyze the feasibility of achieving beam forming by reactance loaded circular antenna array，
which is consisted of symmetrically displaced dipole antennas．Then，coarse and turbulence combi—
nation searching algorithm for reactance loading sequence is proposed for beam forming in specified di—
rection．The simulation results show that beams of relatively high gain and fore—rear ratio can be formed
on required directions，and the errors of array radius and loaded reactance can be tolerated to a certain
extent．The analysis methods and computational results are of certain significance to the design and prac—
tical engineering application of reactance loaded antenna array．
Key words：reactance loaded；dipole；beam forming；gain；fore-rear ratio
1引言
电抗加载天线阵以其结构简单．不需要多路
接收机．采用对寄生振子进行电抗加载就可实现
波束控制等诸多优点．在舰载通信系统N-21、现代
雷达和通信[3]领域得到了广泛应用。利用寄生振
子控制天线阵辐射方向的方法在本世纪初由日本
学者提出．利用此方法制成的Yagi—Uda天线已在
通信和广播等领域得到广泛应用．但将这一方法
上升到理论高度的却是美国学者Harrington。1978
年．Harrington首次提出电抗加载天线阵理论[4】，
并以七元圆阵为例对增益方向图进行了综合优
化。用计算结果证明了理论的有效性。
基于电抗加载天线阵的基本理论．本文设计
了小型均匀圆阵．并计算了天线阵半径的变化与
电抗加载值的误差对天线阵电性能的影响。
2电抗加载天线阵的分析与设计
2．1电抗加载原理的矩量法分析
自从1978年Harrington将矩量法应用于电
磁学后．矩量法一直是分析线天线辐射与散射问
题的有效T具i5】。矩量法是一种将线性空间的算
子方程转化为矩阵方程来进行计算的数值方法。
收稿日期：2010—04—28
基金项目：“十一五”预研基金资助项目
作者简介：李戈阳(1982一)，男，博士，工程师。研究方向：无线电物理。E-mail：ligeyang_82@163．corn
万方数据
66 中国舰船研究第6卷
本文根据矩量法原理．采用分段正弦基和伽辽金
法计算了天线阵各单元的电流分布[6]。
根据矩量法原理．采用分段正弦基和伽辽金
法分析天线。设每根振子均匀分为m+l小段，形
成m个元偶极子．振子的全长为2L．共有n根振
子。在第1根振子的中心，用电压源‰馈电。可构
造矩阵方程：
Z11,7,12⋯Zli
,7,21 Z22‘’‘Z2／
Zil Z讫⋯Zi
0
0
●
：
yo
●
：
ZNN¨厶J I o
在上式中，N=m×n。令加载的阻抗矩阵为
[磊]，即
[五]= (2)
在矩阵[Z．]中。对角线上的元素为各天线的
加载电抗值。考虑电抗加载后。新的广义阻抗矩
阵[7]为：
[‰7]=[‰]+[zf，] (3)
求解式(1)，即可得各振子上的电流分布：
[，]_[‰+z，]一[y] (4)
得到每个振子上的电流分布后．即可计算圆
阵的基本辐射性能。
以上分析表明．通过改变天线阵中任一振子
的电抗加载值．即可改变天线阵中各振子的电流
分布．从而改变天线阵的整体辐射特性㈦。因此，
可以考虑采用调整电抗加载值的方法．尽可能地
增加天线阵在期望方向的增益．抑止旁瓣和压缩
波束Lgl等。以下将就加载电抗值序列的计算方法
进行分析。
2．2加载电抗值序列的分析计算
对于所研究的电抗加载天线阵．本文分以下
两步对电抗加载值进行优化计算。
步骤一：加载电抗数值序列的有界粗选。
加载的电抗值必须易于用电感元件或电容元
件实现，这是对优化结果最基本的要求。所以，在
优化中．加载电抗值只能在一个有限的区间内变
化Hol，如果初值选取得当．还可大大缩短寻优时
间。u]。从工程应用角度出发．本文将每根天线加载
电抗值的取值范围设定为(一350，350)Q，取50 Q
为步长．采用穷举法来计算期望方向上增益达到
最大值时的加载电抗值序列。
步骤二：加载电抗值序列的微扰算法优化。
为使天线阵在期望方向上的增益G(O，妒)尽
可能增大。且对旁瓣进行抑止．本文利用微扰的方
法对加载电抗值序列进行了优化．以尽可能避免
计算结果陷入局部最优解。为便于描述，设主瓣的
峰值增益为G一，第一副瓣的峰值增益为G。。
计算初值加载序列的G(日，妒)、G一、G。，然后
在初值加载序列基础上进行扰动．计算天线阵辐
射特性，得到当前增益值G 7(p，妒)、G 7一、G 7。。
1)当G’(8，9)≠G’一时：
(1)若G(O，妒)=G一，则增强扰动，重新计算；
(2)若G(0，妒)≠G。，且G’(8，妒)／G’。sG
(口，妒)／G。，则增强扰动，重新计算；
(3)若G(p，9)≠G。，且G’(秽，妒)／G’一>G
(p，妒)／G。，则接受该组加载值，将G(p，妒)、G。、
G。替换为G7(口，妒)、G 7。、G 7。。
2)当G’(0，妒)=G’一时：
(1)若G(0，妒)=G。，G’(0，9)／G’。≥G(p，
妒)／G。，且G’(p，妒)>G(目，9)，则接受该组加载
值，将G(口，9)、G。、G。替换为G7(口，妒)、G’。、
G’。；
(2)若G(8，妒)=G一，G 7(0，妒)／G’。≥G(0，
妒)尼。，且G7(咿，妒)≤G(口，妒)，则以概率Pl接受
该组加载值，将G(口，妒)、G。、G。替换为G’(0，
9)、G’。、G’。；
(3)若G(O，妒)=G。。，G’(口，妒)／G’。G(臼，妒)，则以概率P2接受该
组加载值，将G(p，妒)、G。、G。替换为G 7(p，9)、
G7。、G’。；
(4)若G(口，9)=G。，G’(伊，9)／G 7。，

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