赋形印刷阵列及流星余迹通信天线研究.pdf

西安电子科技大学博士学位论文赋形印刷阵列及流星余迹通信天线研究姓名：雷娟申请学位级别：博士专业：电磁场与微波技术指导教师：傅德民20080901摘要印刷天线因其自身优点而广泛应用在雷达、通信等许多领域，这些应用不仅对天线波束形状提出了特定要求，而且对天线及其馈电系统的体积和重量也有比较苛刻的限制。因此研究紧凑化、轻量化的高性能赋形印刷阵列天线具有重大的理论和工程意义。另一方面，作为卫星通信、短波通信等通信方式的必要补充，流星余迹通信(池C)已成为现代战争的一种应急通信保障手段并越来越受到重视。而研制出适用其应用的高性能天线，是建立起M B C 系统的基础。本文紧密结合科研项目，研究了赋形印刷阵列天线及流星余迹通信天线。主要工作包括以下方面：1 给出了赋形阵列天线波束的综合方法。该方法分别应用T a y l o r 综合法和最小二乘综合法设计方位面低副瓣波束和俯仰面超余割平方赋形波束，可根据指标要求确定合理的阵列阵面参数如单元数目和间距等，从而为下一步的波束精确设计奠定基础。2 提出了一种基于幅相误差模型的迭代式的T a y l o r 综合方法，可适用于低副瓣波束的综合。该方法在分析单元幅相误差统计特性的基础上，在波束综合迭代过程中预先考虑了单元幅相误差对副瓣电平的影响并留出适合的余量，因此当天线制作过程中存在材料特性、加工以及安装等各项误差时，阵列副瓣电平也可满足要求。3 提出了一种赋形波束的非线性、对称、间接约束优化方法，可适用于超余割平方赋形波束的综合。本方法在满足目标波束的基础上，通过在优化过程中对阵列激励系数采用对称、间接约束，可使馈电网络设计量减半，使相邻单元的激励幅度之比小于约束值，从而馈电网络更易于实现，其功率容量也得到提高。而且，该间接约束方法的提出可将一个间接约束的优化问题变成无约束的优化问题，从而降低了优化难度，提高了计算效率。4 提出了一种双层紧凑型微带带状线混合型阵列馈电网络。该网络在靠近输入端的前级采用了分层设计的空气带状线形式，在利用其损耗小、功率容量大等优点的同时实现了网络的紧凑化。在后级采用了微带线形式，利用了其易与微带印刷振子相集成、重量轻等优点，因此，本文网络不仅易集成、损耗小，而且结构紧凑、重量轻，对天线馈电系统的小型化设计具有重要意义。5 给出了适用于大型阵列复杂馈电系统的散射矩阵级联分析方法。该方法首先将复杂馈电网络分解为若干个子网络后进行全波分析，然后将每个子网络的散射矩阵进行级联，从而可得到整个馈电网络的散射矩阵特性。同时该方法也可用于辐射单元与馈电网络的整体特性分析。因此本文方法突破了大型馈电网络仿真对计算机资源的限制，提高了计算效率和精度，与测试结果的一致性验证了本文方法的有效性。6 提出了一种适用于U H F 车载移动通信的串馈全向印刷阵列天线形式。该天线可满足水平面全向、垂直面赋形的波束要求，且由于印刷平行双导线串联馈电的应用，实现了天线的小型化。在天线设计过程中提出了辐射特性和阻抗特性分开设计的思想，并采用遗传算法与矩量法相结合的混合方法对赋形波束进行了优化设计。测试结果表明了本文方法的有效性。该印刷阵列天线已交付使用。7 在理解流星余迹通信机理的基础上，研究了适合的高性f T 皂,A 木天线优化设计技术。针对天线的高增益、低驻波比、低副瓣电平等要求，应用矩量法与遗传算法相结合的方法对V H F 频段八木天线长度、间距等参数进行了多目标优化设计。制作了用于流星余迹通信链路试验的天线样机，与整个系统集成后已成功进行了流星余迹链路通信实验。8 研究了用于流星余迹通信的天线的改进形式。提出了X 形激励振子的宽带八木天线，可在增益、驻波比、副瓣电平等参数都满足要求的情况下，将带宽展宽至1 0，并得到样机测试结果的验证，表明该天线可满足流星余迹通信系统对宽频带的要求。更进一步，本文还研究了双层垂直排阵的X 形激励振子的八木天线，以及可形成四波束的平行排列的多波束天线阵列。仿真结果表明其增益相较单个天线可分别提高2 6 d B 和5 2 d B，这些新形式高性能八木天线的研究对进一步提高流星余迹通信系统的通信能力具有重要意义。关键词：印刷振子阵列，低副瓣波束，超余割平方赋形波束，全向印刷阵列，流星余迹通信天线，矩量法，遗传算法。A BS T R A C TP r i n t e da n t e n n a sh a v eb e e na p p l i e dw i d e l yi nm a n ya r e a ss u c ha sR a d a ra n dc o m m u n i c a t i o nb e c a u s eo ft h e i ro w na d v a n t a g e s T om e e td i f f e r e n ta n dp r a c t i c a ln e e d s，a n t e n n a sa r er e q u i r e dt or e a l i z ed i f f e r e n ts h a p e db e a m s，a tt h es a m et i m e，t h ec o m p a c ts t r u c t u r ea n dl i g h tw e i g h to ft h ea r r a ya r ea l s od e s i r e d C o n s e q u e n t l y,t h er e s e a r c ho nc o m p a c ta n dl i g h ts h a p e da r r a ya n t e n n a s 诵也l l i 印p e r f o r m a n c e sa l eo fg r e a ti m p o r t a n c e I na d d i t i o n,a sag u a r a n t e em e a n so fe m e r g e n c yc o m m u n i c a t i o n,t h eM e t e o rB u r s tC o m m 砌c a a o nO v m c)a r ea t t a c h e dm o r ea n dm o r ei m p o r t a n c eb e c a u s ei tC a np r o v i d et h ef i n a lc o m m u n i c a t i o ng u a r a n t e e T h er e s e a r c ho nt h ea p p r o p r i a t ea n t e n n ai st h eb a s i so ff o u n d i n gt h ei n d e p e n d e n tM B Cs y s t e m B e i n ga s s o c i a t e dw i t ht h r e er e s e a r c hi n S i g h tt ot h ep r i n t e da r r a ya n t e n n a sa n dc o n t r i b u t i o n sa r ea sf o l l o w s：p r o j e c t s，t h i sd i s s e r t a t i o nm a k e sd e e p l yt h eM B Ca n t e n n a s T h ea u t h o r Sm a j o r1 T h es y n t h e s i sm e t h o dw h i c hi ss u i t a b l ef o rt h el o ws i d e l o b ea n ds h a p e dp r i n t e da r r a ya n t e n n ai sg i v e n T h eT a y l o rs y n t h e s i sa n dt h eM e t h o do fL e a s tS q u a r e sa r es e p a r a t e l ya p p l i e di nt h ed e s i g no ft h ea z i m u t hl o ws i d e-l o b ep a R e ma n dt h ee l e v a t i o nc 20s h a p e db e a m T h em a i np a r a m e t e r so fa n t e n n as u c ha st h ee l e m e n tn u m b e ra n ds p a c eC a nb ed e t e r m i n e d，w h i c hi st h eb a s i so ft h ep r e c i s eb e a md e s i g n 2 T h ei t e r a t i v eT a y l o rs y n t h e s i sb a s e do nt h ea m p l i t u d ea n dp h a s ee r r o r sm o d e li ss t u d i e d，w h i c hi sa p p r o p r i a t ef o rt h ed e s i g no ft h el o ws i d e-l o b eb e a m T h i sm e t h o dp r e m e d i t a t e se f f e c t so ft h ee r r o r so nt h es i d e l o b el e v e lo ft h ep a t t e r no nt h eb a s i so ft h es t a t i s t i cc h a r a c t e r i s t i c so fe r r o r s C o n s e q u e n t l y,t h ea p p l i c a t i o no ft h i sm e t h o de n s u r et h a tt h es i d e l o b el e v e ls a t i s f yt h er e q u i r e m e n to nt h ec o n d i t i o no ft h ep r a c t i c a lf a b r i c a t i o na n di n s t a l l a t i o n 3 T h es y m m e t r i c a l l ya n di m p l i c i t l yc o n s t r a i n e dn o n l i n e a ro p t i m i z a t i o nm e t h o do ft h es h a p e db e a mi sp r e s e n t e d,w h i c hi ss u i t a b l ef o rt h ed e s i g no fc s c 20s h a p e db e a m O nt h ec o n d i t i o no fs a t i s f y i n gt h eo b j e c tb e a m，t h es y m m e t r i ca n di m p l i c i tc o n s t r a i n to nt h ea m p l i t u d eo fc u r r e n tC a nn o to n l yh a l v et h ed e s i g no ff e e d i n gn e t w o r k,b u ta l s od e c r e a s et h ea m p l i t u d er a t i oo fa d j a c e n te l e m e n t s C o n s e q u e n t l ym a k ei ts i m p l et ob ep r i n t e da n di n c r e a s et h ep o w e rc a p a c i t yo ft h en e t w o r k F u r t h e r m o r e，t h ei m p l i c i t l yc o n s t r a i n e dm e t h o dt r a n s f o r m st h ec o n s t r a i n e do p t i m i z a t i o nt ot h en o n-c o n s t r a i n e d，t h e r e f o r et h eo p t i m i z a t i o nd i f f i c u l t yd e c r e a s e sa n dt h ee f f i c i e n c yi si m p r o v e d 4 An e wm i c r o s t r i p s t r i ph y b r i df e e d i n gn e t w o r kw i md o u b l el a y e r si sg i v e n I nt h ef o r m e rs t a g eo ft h i sn e t w o r k，t h ea i rs t r i p 谢t l ld o u b l el a y e r si su s e di nt h ea d v a n t a g e so fi t sl o wl o s s，g r e a tp o w e rc a p a c i t ya n dc o m p a c ts t r u c t u r e，e t c I nt h el a t t e rs t a g e，t h em i c r o s t r i pl i n ei sa d o p t e dm a i n l yb e c a u s ei tC a nb ei n t e g r a t e d 谢t l lt h er a d i a t i o nd i p o l e se a s i l y T h u s，t h eh y b r i dn e t w o r ki n t h i sp a p e ri sn o to n l ye a s yt oi n t e g r a t e d，b u ta l s oc o m p a c ta n dl i g h t，w h i c hi so fg r e a ti m p o r t a n c ei nt h em i n i a t u r i z a t i o nd e s i g no ft h ea n t e n n af e e d i n gs y s t e m 5 T h ec a s c a d e da n a l y s i sm e t h o do fs c a t t e r i n gm a t r i xs u i t a b l ef o rl a r g e，a n dc o m p l i c a t ef e e d i n gs y s t e mi ss t u d i e d A f t e rd i v i d i n gt h ew h o l en e t w o r ki n t os e v e r a ls u b n e t w o r k s，i t sp e r f o r m a n c e sC a nb eo b t a i n e db yc a s c a d i n gt h ep a r t i a ls c a t t e r i n gm a t r i x M o r e o v e r,t h eh y b r i ds t r u c t u r eo fr a d i a t i o ne l e m e n t sa n dn e t w o r kc a l lb ea n a l y z e d T h e r e f o r e，t h i sm e t h o db r e a k st h r o u g ht h el i m i to fc o m p u t e rr e s o u r c e s，a n di m p r o v e st h ec o m p u t e re f f i c i e n c ya n dp r e c i s i o n T h em e a s u r e dr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r i n t e da n t e n n am e e t sa l lt h er e q u i r e m e n t ss u c ha sV S W R,l o ws i d e l o b ea n ds h a p e db e a m 6 Ap r i n t e dd i p o l ea r r a ya n t e n n a、航t hs e r i e sf e e df o rt h eU H Fv e h i c l el o a d e dm o b i l ec o m m u n i c a t i o ni sp r e s e n t e d，w h i c hc a ns a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fo m n i-d i r e c t i o n a lp a R e mi nt h ea z i m u t hp l a n ea n dt h es h a p e dp a t t e r ni nt h ee l e v a t i o np l a n e M o r e o v e r,t h em i n i a t u r i z a t i o no ft h ea n t e n n ai so b t a i n e db e c a u s et h ea p p l i c a t i o no fs e r i e sf e e do fp a r a l l e ls t r i p T h er a p i do p t i m i z a t i o nm e t h o do ft h ee l e v a t i o ns h a p e db e a mw h i c hu s i n gt h eG Aa n dM o Mi sg i v e na n dt h ee f f e c t so ft h ee l e m e n ts p a c eo nt h er a d i a t i o np a t t e r na l ea n a l y z e d 1 1 1 em e a s u r e dr e s u l t ss h o wt h ev a l i d i t yo ft h ed e s i g n 7 B a s e do nt h er e s e a r c ho ft h eM B Cm e c h a n i s m,t h eo p t i m i z a t i o nm e t h o do ft h eY a g i-U d aa n t e n n af i tf o rt h eM B Ci ss t u d i e d 1 1 1 ep a r a m e t e rd e s i g na n dm u l t i-o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o np r o c e s so ft h e 玎Y a 百-U d aa n t e n n aa r eg i v e n 1 1 1 ee x p e r i m e n t a la n t e n n ai si n t e g r a t e dw i t l lt h eM B Cs y s t e ma n dt h el i n kc o m m u n i c a t i o ne x p e r i m e n ti ss u c c e s s f u l l ym a d eb e t w e e nX i a na n dB a z h o u 8 A c c o r d i n gt ot h eM B Cr e q u i r e m e n to fa n t e n n ap a t t e r n,t h ed e s i g na n do p t i m i z a t i o nm e t h o do fi m p r o v e dV a g i-U d aa n t e n n aa n dY a g i-U d aa r r a ya n t e n n ai sg i v e n 1 k、)I，i d e-b a n dY a g i U d aa n t e n n a 埘n la nx s h a p ed r i v e nd i p o l ei sp r e s e n t e da n dt h em e a s u r e dr e s u l t sa r eg i v e n T h ev e r t i c a l l ys t a c k e dY a 西-L 肋a n t e n n aa r r a ya n dt h em u l t i-r e c e i v e r m u l t i b e a ma n t e n n as y s t e ma r es t u d i e dt oi m p r o v et h ea n t e n n ag a i no nt h ec o n d i t i o nt h a tk e e p i n gt h ew i d eh o r i z o n t a lH P B W T h es i m u l a t e dr e s u l t ss h o wt h a tt h ea n t e n n ag a i nC a ni m p r o v e2 6 d Ba n d5 2 d Br e s p e c t i v e l y T h er e s e a r c ho ft h ew i d e b a n dY a g i-U d aa n t e n n af o rt h eM B Cc a l lp r o v i d ei m p o r t a n tr e f e r e n c et ot h ei m p r o v e m e n to ft h es y s t e mp e r f o r m a n c e K e yW o r d s：P r i n t e dd i p o l ea r r a y,L o ws i d e l o b eb e a m，S u p e rc S c 20s h a p e db e a m，O m n i-d i r e c t i o n a lp r i n t e dd i p o l ea r r a ya n t e n n a,M B Ca n t e n n a,M o M，G A 独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。本人签名：随日期竺。关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本人签名：导师签名：第一章绪论第1 章绪论摘要：本论文主要研究了赋形印刷阵列天线及流星余迹通信天线，本章重点阐述与上述研究课题有关的背景和意义。首先介绍了阵列天线的波束综合与优化方法以及印刷天线单元及馈电网络的研究现状。然后介绍了国内外流星余迹通信及其天线的发展现状接着给出了适合本文研究问题的数值分析方法最后介绍了本文的研究内容以及作者的主要工作。1 1 研究的背景和意义天线是发射和接收电磁波的部件，是无线电系统中的重要组成部分。经过一个多世纪的发展，天线形式多样、性能各异，广泛应用于通信、广播、雷达、制导、对抗等领域。基于不同的应用背景，天线的设计遇到了前所未有的机遇与挑战，在满足不同应用环境下的电指标要求，尤其是波束形状要求的基础上，对天线结构的集成化、尺寸的小型化、重量的轻型化也提出了新的要求。警戒雷达是我军防空武器系统的重要组成部分之一，担负着搜索、定位、引导及跟踪的任务，是未来信息化战争的重要信息来源【l】【2】。它在方位面和俯仰面分别形成低副瓣和余割平方赋形波束，可及早发现和探测中、低空，特别是超低空高速入侵的掠海反舰导弹及其载体，并较准确地确定目标的方位并且排除干扰。超余割平方赋形波束是余割平方赋形波束的发展，可显著提高雷达近高空的功率电平，能进一步提高雷达对空、对海警戒的作用距离，并减少地物杂波的影响，提高低空探测性能。在v 1 玎及L r t t F 军用车载移动通信中，为了更好地适应山地通信及地对空立体空间通信的需求，天线在满足水平面全向辐射特性的基础上，在垂直面应可形成符合战术要求的赋形波束，从而扩大通信覆盖范围，提高通信质量。此外，v H F 及I J I t F 频段的天线通常因其频率较低而尺寸较大，在现代国防应用中，直接削弱了其载体作战的机动能力和快速反应能力，因此，为了提高其载体的灵活机动性，赋形、全向天线的小型化也是研制的关键技术之一。印刷天线【3】由于其独特的结构而具有许多优点：剖面薄、体积小、重量轻，具有平面结构，易于与载体共形，馈电网络可与天线集成，适于印刷电路批量生产等，已成为了集成化天线的主角。在现代雷达系统及通信等应用中，由印刷阵列天线来实现所要求的波束形状已成为主流方向之一，因此对它的研究具有重要的意义。另一方面，作为现代战争的一种应急通信保障手段，流星余迹通信已成为卫2赋形印刷阵列及流星余迹通信天线研究星通信、短波通信等通信方式的必要补充，并越来越受到重视。它是利用流星高速进入大气层燃烧而形成的电离余迹对V H F 电磁波的反射而实现超视距通信的一种突发通信方式 4。7 1。其通信信道在时间上、空间上呈现出显著的隐蔽特性，而信道存在期间却具有高度稳定性，因此可满足灾害预警、军事应急通信、气象数据采集等通信需求，在无线通信中占有特殊的重要地位。流星余迹通信链路性能与天空中被接收和发射天线的方向图“照亮”的区域密切相关。作为阵列天线的另一重要成员，八木天线由于其结构简单、易于加工、低损耗和高增益等优点，成为流星余迹通信天线的首要选择。根据其通信要求，天线应同时满足工作频率上的高增益、低驻波比和副瓣电平多个参数。而且，随着流星余迹通信技术的不断发展，天线带宽的拓宽、增益的提高及覆盖面积的增加都成为了对其新的要求。当天线的工作带宽、增益、输入阻抗及副瓣电平等参数同时考虑时，天线的设计就变得十分复杂。同时，流星余迹通信工作在V H F 频段，由波长所决定的天线的庞大尺寸使其优化设计必不可少。因此，对流星余迹通信天线的多目标优化技术研究也是很有价值的。基于以上论述，本文对赋形印刷阵列天线及流星余迹通信阵列天线进行了研究，并通过实验结果验证了各种天线的设计有效性。1 2 赋形印刷阵列天线研究随着微波集成技术的发展，印刷阵列天线由于其自身独特的优点已广泛应用于现代雷达及通信等领域中【1 瑚。对其的研究内容包括阵列方向图的综合优化方法、单元及印刷馈电网络的研究。其中方向图的综合优化是通过确定阵元的形式、排列、幅相分布和馈电方式的组合，使辐射方向图最佳地逼近预期的方向图。1 2 1 阵列方向图的综合阵列天线的综合实际上是天线分析的反设计，即在给定期望方向图的条件下，设计天线阵元的激励幅相分布等相关参数。综合方法归纳起来可解决三类问题：(1)具有低副瓣电平的窄波束的综合；(2)各种赋形波束如余割平方方向图的综合；(3)在某些方向要求零点的波束的综合。C h e b y s h e v 和T a y l o r 综合法【8】是低副瓣波束综合的典型方法。应用C h e b y s h e v 综合法综合的线阵方向图，在给定零功率波瓣宽度时能获得最低的等副瓣电平，在给定副瓣电平时能获得最窄的零功率波瓣宽度。T a y l o r 综合法综合得到的方向图前几个副瓣的电平基本相等，后面的则逐渐递减。其相比于前者的显著优点在于：(1)在满足半功率波瓣宽度的条件下，阵列尺寸较短，口径效率较高；(2)在设计中考虑了等副瓣电平的个数及副瓣衰减的速率，因此获得了广泛应用。第一章绪论对于等间距线阵赋形波束的综合，由W o o d w a r d 在1 9 4 7 年所提出的W o o d w a r d取样法【9 J 是最基础的方法，阵列中所综合的阵因子是相同幅度、线性相位阵的阵因子的叠加，将方向图的取样值选择为等于取样点的期望方向图的值，从而可获得所需的单元电流。应用W o o d w a r d L a w s o n 取样法所综合的方向图在取样点上与目标方向图一致性很好，但在非取样点上差别较大，而且综合方向图的副瓣电平较高。由O r c h a r d 和E l l i o t t 共同提出的O r c h a r d E l l i o t t 综合方法【l o j 利用方向图根的位置来获得期望的赋形波束，是等间距线阵综合的理想方法。在副瓣区域，方向图函数的根被限制在S c h e l k u n o f f 单位圆中：在赋形区域，方向函数的根位于单位圆之外，由初值开始进行迭代可得到满意的解。需要注意的是：如果有个根在单位圆之外，则有2 个不同的解。W o o d w a r d-L a w s o n 取样法及O r c h a r d-E l l i o t t 综合方法适用于等间距线阵，而借助于贝赛尔正交完备函数系 厶。p)的R u s e 综合法【8】可用于圆口径。此外，S t u t z m a n 1 1 J 应用迭代采样方法扩展T W o o d w a r d L a w s o n 综合方法，可实现圆口径、线阵及平面阵的赋形波束和(或)低副瓣波束及其它方向图类型。它基于增加校正波束的简单概念，与W o o d w a r d L a w s o n 方法类似，用定位和加权来减小实际方向图与期望方向图的偏差，经过多次迭代可实现赋形方向图。而L V a s k e l a i l l e n【1 2】应用的最小二乘方法通过使综合方向图和期望方向图的最小二乘误差最小，可完成线阵及共形阵的综合。需要指出的是：当阵列单元数目较多时，由于足够的综合的自由度，上述综合方法通常效果较好。然而当单元数目较少时，其有限的自由度使综合中会出现误差较大的结果。在这种情况下，我们通常需要用到优化方法。1 2 2 阵列方向图的优化阵列方向图的优化方法包括遗传算法【1 禾1 6 1、模拟退火法【1 7 1、蚁群算法【1 8】【1 明及混合优化方法刚等，归纳起来分为无约束条件的优化方法和有约束条件的优化方法两类，有约束条件的优化方法又包括直接约束条件和间接约束条件优化。应用优化方法不仅可使所综合的阵列不局限于阵元数目和阵面形状，而且可在优化过程中对阵元的激励幅相进行合理的改进。如应用W o o d w a r d L a w s o n 等常规综合方法设计线阵余割平方赋形波束时，获得的各阵元的幅度分布特性为：阵元幅度在中心最大并向两边快速下降，造成相邻单元的幅度之比过大，使馈电网络中功分器的耦合度较大，降低了功率容量，增大了阵元间的互耦影响，因此需要对相邻单元的幅度之比进行有效的约束。S t u t z m a n【l l J 所使用的迭代方法虽然提高T W o o d w a r d L a w s o n 方法的性能，但由于对阵元幅度分布没有采取约束，因此其相邻单元幅度的变化与W o o d w a r d L a w s o n4赋形印刷阵列及流星余迹通信天线研究分布相似。F o n g 和B 迦e I l l l e i 0 2 1 1，S t e y s k a l t 2 2 1、H y n e m a n t 2 3 l,及C h e n 2 4 1 在设计中同样没有对相邻单元的幅度比进行约束，因而同样出现了锥削过大的单元幅度分布。应用方向图优化方法可对相邻阵元的幅度之比进行约束，从而解决这一问题，约束方法包括直接约束条件优化和间接约束条件优化。B a n d l e r 2 5 1 在赋形波束的优化过程中加入了罚函数，对相邻阵元幅度之比进行了直接约束，得到了优于O r c h a r d E l l i o t t 综合方法的解。而M i c h a e lJ B u c k l e y【2 6 J 引入了间接变量，并应用此变量的正弦函数对电流幅度进行了间接约束，将一个间接约束的优化问题变成无约束的优化问题。与O r c h a r d E l l i o t t 综合结果相比，相邻单元的电流幅度比明显降低。值得注意的是，上述文献中的优化方法在阵列综合优化中并没有考虑阵元之间的影响，而对于阵元间距一定，尤其是间距较小的阵列来说，阵列互耦使得其实际方向图与理想方向图存在偏差。因此，要高精度地实现期望方向图，在其设计中必须考虑阵元间的互耦效应，而应用优化方法和矩量法相结合的手段，在赋形波束的优化过程中直接对阵元的激励系数进行修正，可获得满意的赋形波束。更进一步，在考虑互耦的基础上，对于在优化过程中加入阵元幅度的约束的研究也是很有意义的。1 2 3 印刷阵列单元及馈电网络近年来，微带印刷天线的研究已取得很大进展。不仅天线工作的频段由单频、双频扩展至多频，极化特性由单一极化发展为双极化，结构由平面发展为与载体共形等，而且天线的增益也不断提高，带宽不断展宽，等等。印刷振子是线极化印刷阵列中普遍应用的单元形式，典型的印刷振子为矩形，印制在介质基片的一面或两面，当印制在基片的同一面时采用共面带线(C P S)馈电；当印制在基片的两面时采用平行双导线馈电，W h e e l e r,H A 1 2 7 J 给出了其分析和设计方法。普通振子的带宽较窄，为了展宽其带宽，L i n，Y D 提出了蝶形印刷振子【2 8】。但是由于其馈电结构的关于地面平衡的性质，普通印刷振子无法与馈电网络集成【2 9】【3 0】，从而限制了其在阵列中的应用。E d w a r d，B 3 1】提出了一种微带线馈电的、具有集成巴伦的宽带印刷振子结构，可将馈线和振子集成，并由于宽带集成巴伦的应用，使振子的阻抗带宽大大展宽。而且在实际应用中，将振子所在的介质基片垂直于地面放置，振子所在的基片可在地面后延长并印制馈电网络，从而具有高度电路集成、一体化的优点。除了印刷天线单元，高性能的馈电网络也是实现印刷阵列的关键技术之一。阵列馈电方式包括串馈、并馈及并馈与串馈结合馈电方式。串联馈电1 3 2 邓l 的优点在于结构简单、馈线长度短、损耗小及空间利用率高等。串馈形式根据传输线终第一章绪论端所接负载Z 的不同可分为行波串联馈电和谐振串联馈电。谐振串联馈电一般是窄带的，如文献【3 3】中的L 波段阵列驻波比小于2 0 的阻抗带宽仅为6 4。相较而言，并馈网络 3 4 3 7 1 带宽较宽，带内幅相特性平稳，是所需带宽较宽时的馈电方