论文摘要
共形天线由于其独有的优点在现代雷达中得到广泛地应用：首先，与其载体表面共形，对载体本身的空气动力学性能影响不大；其次，在保证天线性能的条件下，采用共形天线可以简化天线安装；而且目前普遍采用的平面相控阵列天线还存在很多问题，如：①波束扫描范围窄；②天线单元之间的互耦效应与扫描角相关等。共形天线阵可以采用圆形、球形阵列等形式，可有效地避免上述缺点，它们可以在扫描过程中基本保持天线的波束形状和增益，同时使互耦维持在一定水平上。本论文就基于复杂载体上共形微带天线单元及阵列进行分析和综合研究，对现阶段共形天线研究中的重点、难点以及一些前沿问题进行了较为深入地探讨。围绕共形微带天线的精确分析方法、共形微带天线单元及阵列的优化方法等，论文系统而深入地研究了以下几个方面的内容：第一、基于体面线积分方程（VSWIE）的共形微带天线精确分析。本文采用体、面、线及线面结合的四种基函数结合的VSWIE方程，精确计算任意形状、有限大介质和地板、探针馈电的共形微带天线辐射和阻抗特性。四种不同的基函数分别代表介质体内的体位移电流、金属表面的面电流、馈电探针上的线电流以及探针同天线结合处的电流。利用矩量法（MOM）建立线性方程组，通过求解这个线性方程组，得到各个基函数上的电流值，从而很容易地计算出天线的辐射和阻抗特性。第二、基于VSWIE的共形微带天线阵列精确分析。由于介质部分采用体剖分，其未知量大，直接采用MOM很难处理相关的阵列问题，所以有必要使用快速算法加速计算。因此，本文采用多层快速多极子（MLFMA）方法提高计算效率，减小了计算机的资源消耗。同时，针对电大载体上的微带共形天线及阵列的数值计算问题，本文还将物理光学法（PO）同VSWIE结合，在微带天线阵列区使用VSWIE方法，在金属载体区使用PO，大大提高了算法在实际问题中的应用范围。第三、适合共形的微带天线单元设计。由于微带天线共形于载体之上，其介质厚度不宜过大，本章对共形微带天线的讨论均建立在单层薄介质材料之上。针对如何展宽微带天线带宽问题，文中详细介绍了采用MOM和遗传算法（GA）开发的宽频带微带天线设计工具，以及两款宽频带微带天线。同时，由于载体上可供天线的安装空间有限，本章还对微带天线中的可重构技术展开研究，提出了：①新型频率可重构天线；②新型方向图可重构天线：③新型宽带方向图可重构天线；④新型的极化可重构天线。第四、空间映射技术（SM）在共形天线优化中的应用。文中使用SM技术针对复杂载体上的共形天线进行优化。采用SM技术后，共形天线的整体优化时间降低了约一个数量级左右。由于粗模型选用平面微带天线，因此对不同载体上的同类型的共形微带天线优化能够使用相同的粗模型。同时在深入研究后，本文还总结出了如何合理选择响应函数以加快优化速度的方法。第五、共形天线阵列的精确快速综合设计现代天线设计及优化问题往往涉及天线的各个参数，需要优化的天线参数不只一个。经典的多目标优化方法中，通常把多个目标函数整合成单个目标，将多目标优化问题转变为单目标优化问题。然而当优化目标改变时，其优化过程必须重启，同时存在多个目标函数之间量纲不同、难以统一，加权值的分配带有较强的主观性等缺点。因此本章对多目标优化算法进行了研究，在多目标优化算法的研究中，针对非支配遗传-Ⅱ（NSGA-Ⅱ）算法的不足之处，文中进行了三点改进，从而提出了一种改进的非支配遗传算法（INSGA-Ⅱ）。通过数值实验证明，改进算法提高了收敛速度和种群多样性，使种群收敛更加均匀，同时应用它来优化共形天线阵列，取得了很好的结果。