摘 要：針對(duì)陣列天線的布陣問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種陣列天線仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了陣列天線設(shè)計(jì)的可視化操作。通過(guò)設(shè)置陣元數(shù)、波長(zhǎng)、陣元間距等天線相關(guān)參數(shù)，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)直線、平面、圓形和圓柱四類陣列天線的仿真分析。針對(duì)四類陣列天線稀疏布陣問(wèn)題，系統(tǒng)采用遺傳算法，對(duì)稀疏陣列天線的方向圖特性進(jìn)行研究。通過(guò)系統(tǒng)的仿真，用戶可以直觀地觀察陣列天線方向圖的變化，從而調(diào)整相關(guān)參數(shù)實(shí)現(xiàn)陣列天線方向圖的優(yōu)化設(shè)計(jì)。該仿真系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單、頁(yè)面簡(jiǎn)潔、交互性強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠支持和輔助用戶分析與設(shè)計(jì)陣列天線。

　　關(guān)鍵詞：陣列天線;遺傳算法;方向圖;稀布優(yōu)化

　　1 引言(Introduction)

　　隨著5G時(shí)代的到來(lái)，相較于4G移動(dòng)通信，其處理和傳輸數(shù)據(jù)流量的性能提升了100 倍，為物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸提供了承載網(wǎng)絡(luò)，使萬(wàn)物互聯(lián)成為可能[1-2]。5G技術(shù)基于蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)，性能目標(biāo)是高數(shù)據(jù)速率、減少延遲、降低成本、提高系統(tǒng)容量和大規(guī)模設(shè)備連接[3-5]。然而，5G移動(dòng)通信具有高能耗、基站多、傳輸距離近等缺陷[6]。為了解決以上問(wèn)題，其中一個(gè)方法就是對(duì)天線進(jìn)行陣列排布。

　　KALOSHIN等人設(shè)計(jì)了一種具有180°頻率掃描扇區(qū)的縫隙天線陣列，確定了滿足180°扇區(qū)頻率掃描要求的波導(dǎo)參數(shù)[7];

　　郭華等人利用入侵雜草算法對(duì)圓形陣列進(jìn)行稀布優(yōu)化來(lái)提高圓陣天線的性能[8];TRIGKA等人在均勻直線陣列的基礎(chǔ)上進(jìn)行混合設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出的混合直線陣列相比傳統(tǒng)的直線陣列性能更好[9];俞成龍等人利用遺傳算法對(duì)直線陣列進(jìn)行稀疏優(yōu)化[10];張承暢等人利用MATLAB工具實(shí)現(xiàn)了對(duì)三種陣列天線的仿真分析[11];房帥等人基于成功父代選擇框架，改進(jìn)了差分進(jìn)化(SPS-JADE)算法，能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)位于陣列天線近場(chǎng)情況下的方向圖綜合[12];由于水循環(huán)算法(WCA)具有隨機(jī)搜索能力和穩(wěn)定性，仇亮等人將其應(yīng)用到陣列天線方向圖綜合問(wèn)題中[13];馬曉巖利用圖形用戶界面GUI實(shí)現(xiàn)人機(jī)交流信息[14]。

　　波束賦形能夠?qū)π盘?hào)進(jìn)行組合分配，減少干擾，盡可能減少通信過(guò)程中的信號(hào)衰落與失真。由于陣列天線的方向圖影響波束賦形的性能，本文利用MATLAB GUI開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了陣列天線的方向圖仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用遺傳算法對(duì)陣列天線進(jìn)行遺傳編碼，可以對(duì)四類陣列天線進(jìn)行優(yōu)化仿真，并對(duì)四類陣列天線進(jìn)行稀疏和稀布優(yōu)化[15-19]。

　　陣列天線仿真系統(tǒng)的主要功能模塊如圖1所示，要包括直線陣列、平面陣列、圓形陣列和圓柱陣列四類陣列天線的仿真分析，以及開(kāi)始界面、主界面、四個(gè)類型界面和仿真界面等。每一個(gè)仿真界面都可以進(jìn)行獨(dú)立的參數(shù)輸入和仿真分析。在仿真系統(tǒng)的主要功能模塊中，通過(guò)調(diào)用相關(guān)函數(shù)對(duì)分解后的功能塊進(jìn)行算法邏輯設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。

　　3 系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)(System simulation design)

　　3.1 稀布圓形陣列優(yōu)化模型

　　本文以稀布圓形陣列為例介紹其原理和設(shè)計(jì)流程。

　　(3)變異算子：變異是一種主動(dòng)突變，以變異概率對(duì)群體中的每個(gè)個(gè)體隨機(jī)選擇某些基因點(diǎn)上的基因值進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，避免局部收斂。

　　因遺傳算法在最優(yōu)解問(wèn)題上的優(yōu)異表現(xiàn)，故將其應(yīng)用到陣列天線的布陣問(wèn)題上。通過(guò)具體問(wèn)題適應(yīng)性而改進(jìn)的遺傳算法對(duì)它們進(jìn)行稀疏布陣、稀布布陣，進(jìn)而減少天線陣元，大大降低成本，同時(shí)達(dá)到降低旁瓣、提高天線性能的目的。

　　3.3 稀布圓形陣列算法流程

　　通過(guò)遺傳算法來(lái)對(duì)圓形陣列天線進(jìn)行稀布，以達(dá)到減少陣元數(shù)、降低成本，同時(shí)保證陣列天線方向圖旁瓣電平不能過(guò)大的設(shè)計(jì)要求[20]。

　　本系統(tǒng)采用遺傳算法對(duì)均勻圓形陣列進(jìn)行稀布優(yōu)化，優(yōu)化后圓形陣列為稀布圓形陣列。取相鄰兩個(gè)陣元的角度差值作為個(gè)體基因進(jìn)行編碼，目的是為了減少群體中的個(gè)體基因搜索區(qū)域，提高搜索效率[21]。采用遺傳算法對(duì)圓形陣列進(jìn)行稀布優(yōu)化的流程圖如圖2所示。由圖2可以看出，首先對(duì)相鄰陣元角度差值產(chǎn)生一個(gè)中間初始種群，并對(duì)每個(gè)個(gè)體基因進(jìn)行從大到小的排序，然后將其變換為角度間隔種群，對(duì)種群中的每一個(gè)個(gè)體計(jì)算適應(yīng)度，判斷其是否滿足終止條件。如果滿足，輸出最優(yōu)個(gè)體為優(yōu)化結(jié)果，算法結(jié)束;如果不滿足，則對(duì)中間種群的個(gè)體進(jìn)行選擇、交叉和變異的遺傳操作，再重新對(duì)每個(gè)個(gè)體基因進(jìn)行從小到大的排序，變換到角度間隔種群。對(duì)進(jìn)化后的子代種群進(jìn)行重新優(yōu)化判斷，如此循環(huán)，直至滿足終止條件為止。

　　4 仿真結(jié)果及分析(Simulation results and analysis)

　　陣列天線系統(tǒng)對(duì)直線陣列、平面陣列、圓形陣列、圓柱陣列四大類，共計(jì)14 種陣列天線進(jìn)行仿真。下面對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行展示和分析。

　　4.1 直線陣列仿真

　　直線陣列包括均勻直線陣列、稀疏直線陣列、帶約束的稀疏直線陣列、稀布直線陣列。直線陣列是最基本的天線陣列，廣泛應(yīng)用于一維電掃描的相控雷達(dá)中。均勻直線陣列是將天線陣元按照等間距直線排列，接收和輻射電波的一類陣列，但是因其陣元個(gè)數(shù)太多，導(dǎo)致成本增加。稀疏直線陣列在其基礎(chǔ)上運(yùn)用遺傳算法進(jìn)行稀疏優(yōu)化，達(dá)到減少陣元個(gè)數(shù)、提高天線性能的目的。帶約束的稀疏直線陣列則是在稀疏直線陣列的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行條件約束，如要求直線陣列兩端必須有陣元，稀疏后直線陣列孔徑不變等。約束條件的增加使天線仿真更加適用于實(shí)際工程。圖3展示了四種直線陣列在設(shè)置相應(yīng)參數(shù)后的方向圖仿真結(jié)果。如圖3(c)所示，帶約束的稀疏直線陣列的約束條件是稀疏后陣列孔徑不變，左右半陣對(duì)稱。前三種排布方式均為等間距的陣元排布，稀布直線陣列則是不等間距的陣元排布，在稀疏陣列的基礎(chǔ)上降低了成本，同時(shí)能夠有效地抑制陣元天線方向圖的旁瓣電平，起到提高天線性能的目的。

　　4.2 平面陣列仿真

　　平面陣列包括均勻平面陣列、稀疏平面陣列、帶約束的稀疏平面陣列和稀布平面陣列。平面陣列可以看作是由多個(gè)直線陣列排列組成，天線陣元分布在平面上，天線波束在方位和仰角兩個(gè)方向上都能電掃描的陣列天線。目前，大多數(shù)的遠(yuǎn)程相控雷達(dá)以及三坐標(biāo)相控雷達(dá)均采用平面陣列天線。均勻平面陣列具有高增益，窄波束，易于方位、俯仰兩維電掃描等特性，但耗費(fèi)大量陣元，使天線系統(tǒng)造價(jià)高昂。稀疏平面陣列是在均勻平面陣列的基礎(chǔ)上，通過(guò)遺傳算法對(duì)陣列天線進(jìn)行稀疏優(yōu)化，以達(dá)到減少陣元、降低造價(jià)的目的。為了更好地滿足實(shí)際工程需要，通常采用在稀疏平面陣列的基礎(chǔ)上加上約束條件的方式，即帶約束的稀疏平面陣列，以達(dá)到相應(yīng)的效果。如圖4所示為四種平面陣列的仿真方向圖。圖4(c)中的約束條件是稀疏后平面陣列孔徑不變，上下左右對(duì)稱。稀布平面陣列在前三種平面陣列天線的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了不等間距稀布優(yōu)化，以達(dá)到減少更多陣元、提高天線性能的目的。

　　4.3 圓形陣列仿真

　　圓形陣列包括均勻圓形陣列、稀疏圓形陣列和稀布圓形陣列。圓形陣列是將天線陣元排列成一個(gè)圓形。相較于其他陣列，圓形陣列應(yīng)用廣泛，能提供360°的方位角，在天線掃描過(guò)程中能維持天線波束的形狀和天線增益。均勻圓形陣列和前兩種均勻陣列一樣，陣元都是等間距排布，實(shí)現(xiàn)接收和輻射電波的功能，但是由于使用陣元數(shù)量太多，導(dǎo)致成本高昂。因此，通過(guò)遺傳算法對(duì)其進(jìn)行稀疏優(yōu)化，得到稀疏圓形陣列，減少了陣元，降低了成本。稀布圓形陣列則是在稀疏圓形陣列的基礎(chǔ)上進(jìn)行不等間距的稀布優(yōu)化，更進(jìn)一步減少陣元，提高天線性能。如圖5所示為三種圓形陣列仿真方向圖。

　　4.4 圓柱陣列仿真

　　圓柱陣列包括均勻圓柱陣列、稀疏圓柱陣列和稀布圓柱陣列。圓柱陣列是最簡(jiǎn)單的共形陣列，能與飛機(jī)機(jī)身、導(dǎo)彈彈體等圓柱狀幾何表面吻合，因此對(duì)載體空氣動(dòng)力學(xué)的影響大幅降低，同時(shí)擴(kuò)大了搜索范圍，得到了廣泛的應(yīng)用。均勻圓柱陣列可以看作將均勻圓形陣列平行布置在一個(gè)圓柱體上而得來(lái)。稀疏圓柱陣列是利用遺傳算法對(duì)其進(jìn)行稀疏排布，達(dá)到減少陣元、降低成本的設(shè)計(jì)要求。稀布圓柱陣列是由均勻圓柱陣列通過(guò)遺傳算法進(jìn)行不等間距的稀布排列而得到，在原有基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高性能，降低成本。如圖6所示為三種圓柱陣列仿真方向圖。

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