平面反射阵天线赋形优化方法研究

As beam-forming technology for satellite communications, compared to traditional plane reflection array of paraboloid antenna, low profile, light weight, low cost, convenient processing advantages, such as to solve the problem of various parameters of paraboloid antenna (such as size, bandwidth, efficiency, and gain) provide the contradiction between new ideas. Reflection matrix of each unit can be independent adjust the phase and amplitude of reflection wave, similar to the antenna array can realize the beam informs. In vehicle design, plane reflection array need to repeatedly using full-wave electromagnetic analysis method to solve the radiation characteristics, as a result of reflection matrix is usually composed of a passive microstrip resonant unit formed, to solve the unknown quantity is large, when the high cost of computing problems. This project will be from reflection array antenna unit design, the mechanism of the electromagnetic wave reflection array antenna regulation and reflect array antenna efficient and accurate full wave analysis method, this paper finally space mapping and manifold method was adopted to realize the fast plane reflection array shape optimization. Research results are expected to break through the plane reflection array antenna design method on the computation time and memory consumption of technical bottleneck, in order to solve the complex, high cost reflection array antenna beam informs problem has brought new ideas.

针对卫星通信的波束赋形技术，平面反射阵天线相比于传统的抛物面天线，具有剖面低、质量轻、成本低、加工方便等优势，为解决抛物面天线的各个参数（如尺寸、带宽、效率和增益）之间的矛盾提供了全新的思想。反射阵每一个单元可以独立的调节反射波的相位和幅度，类似于阵列天线可以实现波束赋形。在平面反射阵天线赋形设计时，需要多次采用全波电磁分析方法来求解其辐射特性，由于反射阵通常由大量的无源微带谐振单元排列组成，求解时未知量很大，出现计算成本过高的问题。本项目将从反射阵天线单元设计、反射阵天线调控电磁波的机理以及反射阵天线高效精确的全波分析方法入手，最终采用空间映射及流形映射方法实现对平面反射阵天线的快速赋形优化。研究成果有望突破平面反射阵天线设计方法在计算时间、内存消耗上的技术瓶颈，为解决复杂、高成本反射阵天线波束赋形问题带来了全新的思想。

平面反射阵天线赋形设计时需要多次采用全波电磁分析方法来求解其辐射特性，求解时未知量很大，出现计算成本过高的问题。本项目分别开展了研究反射阵天线单元设计、反射阵天线调控电磁波的机理以及反射阵天线高效精确的全波分析方法。针对大规模多尺度阵列天线的快速仿真需求，以频域矩量法为基础，围绕快速多极子、全域基函数、区域分解等快速方法开展研究，充分利用阵列结构中阵元相似性的优势，对矩阵进行复用，从而降低内存及时间等计算资源的消耗。深入研究阵元耦合的准确计算、阵列辐射方向图及端口输入阻抗的快速提取以及阵中各阵元表面电流分布的精确分析等问题，开发出阵列天线频域及时域高效求解器以应对不同需求，并实现在普通计算机上求解电大尺寸多阵元的阵列天线的可能。以空间映射优化算法为主体，将全波分析模型与快速模型相结合，实现了平面反射阵天线的波束赋形。该方法将复杂耗时的全波仿真转化为快速模型的计算，在降低了优化时间的同时保证了结果的精确性。项目的研究成果解决了平面反射阵天线设计方法在计算时间、内存消耗上的技术瓶颈，解决了复杂、高成本反射阵天线波束赋形问题。依托本项目发表SCI论文3篇；国际会议论文6篇，国内会议论文2篇；中文期刊14篇；申请国家发明专利4项，已授权2项；获得科研奖励2项：项目负责人获得2018年济宁市自然科学学术创新一等奖；指导研究生获得2020年山东省优秀论文；培养硕士毕业生5人，在读研究生9人。