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基于子阵列的低轨星载多波束相控阵天线的设计与实现
摘要
随着航空业的发展和无线通信技术的进步，低轨星载多波束相控阵天线成为了一个备受关注的领域。本文介绍了一种基于子阵列的低轨星载多波束相控阵天线的设计与实现方法。首先，介绍了低轨卫星系统的基本原理和设计需求。接着，介绍了多波束相控阵天线原理、母阵列和子阵列的概念。在设计方法中，给出了利用遗传算法对孔径分布进行优化的流程和结果，并利用仿真数据进行了验证。最后，给出了实现方案和实验结果。实验结果表明，该方法能够满足低轨卫星通信系统的设计需求，并具有一定的优越性。
关键词：低轨卫星系统、多波束相控阵天线、母阵列、子阵列、遗传算法
1.介绍
低轨卫星通信系统的发展，往往要求天线具备宽带、低剖面、小型化、多波束、高性能和可控制等特点。多波束相控阵天线正是能够满足这些需求的一种技术，因此备受关注。
多波束相控阵天线由母阵列和子阵列构成，母阵列负责信号的接收、发射和复用，子阵列负责信号的处理。在多波束相控阵天线中，子阵列相当于一个局部阵列，它可以聚集天线元素，形成一个小的阵列结构。
针对低轨卫星通信系统的要求，本文采用遗传算法优化子阵列的孔径分布，以达到天线具有宽带、低剖面等优点的设计目标。
2.设计方法
多波束相控阵天线由一个母阵列和多个子阵列构成，子阵列的布局方式是一种重要因素，它会直接影响到天线的性能。本文利用遗传算法进行孔径分布优化，达到天线性能的最优化设计。优化流程如下：
（1）建立优化模型：建立优化模型，包括信噪比、方向性等指标。
（2）产生初始种群：通过三角分布或均匀分布产生初始种群，如图1所示。
（3）对种群进行适应度评价：采用预设的适应度函数，对种群进行适应度评价，得到每个个体的适应度值。
（4）选择操作：根据适应度值，保留适应度较高的个体并淘汰适应度较低的个体，以保证下一代个体质量更高。
（5）交叉操作：基于某种交叉方式，完成新种群的产生。
（6）变异操作：为了鼓励种群多样性，采用变异操作对种群进行更新。
（7）达到终止条件：当种群达到局部最优解，或到达预设的迭代次数等终止条件时，算法停止运行。
（8）得到最优解：以适应度最高的个体作为最终解。
图1遗传算法的优化流程
3.仿真结果
本文采用MATLAB软件平台，利用遗传算法对孔径分布进行了优化，并进行了仿真验证。
优化结果如图2所示，其中母阵列具有16个天线元素，子阵列具有4个天线元素。优化结果表明，经过遗传算法优化后，子阵列的孔径分布较为合理，可满足天线宽带、低剖面的设计目标。
图2遗传算法优化后的子阵列孔径分布图
4.实现方案
根据遗传算法优化的结果，我们可以设计并实现一个基于子阵列的低轨星载多波束相控阵天线，具体方案如下：
（1）设计母阵列：采用有源扫描方式的母阵列，实现信号的发射和接收，并对入射波进行处理。
（2）设计子阵列：子阵列由开环天线、放大器、相移器等组成，用于实现单调电场辐射。
（3）连接母阵列和子阵列：母阵列和子阵列通过功分器等连接，实现信号的传输和切换。
（4）完成天线元件的布局：母阵列和子阵列的布局如图3所示，其中母阵列的16个天线元素均匀分布于球形表面上，子阵列的四个天线元素均匀分布于母阵列的四个象限上。
图3天线元件的布局效果
5.实验结果
我们在实验室中对所设计的低轨星载多波束相控阵天线进行了测试，结果表明所设计的天线性能良好，能够满足低轨卫星通信系统的设计需求。
6.结论
本文介绍了一种基于子阵列的低轨星载多波束相控阵天线的设计与实现方法。通过遗传算法优化孔径分布，设计出合理的子阵列结构，可以达到天线宽带、低剖面等优点的设计目标。实验结果表明，所设计的天线具有较好的性能和稳定性，能够满足低轨卫星通信系统的设计需求。
参考文献
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