一种基于柔性形变天线的极化波束在线重构技术

一种基于柔性形变天线的极化波束在线重构技术

柔性天线在无人机等飞行器中的应用越来越广泛，但其结构的实时形变给波束重构带来了挑战。本文提出了一种基于柔性形变天线的极化波束在线重构技术，通过模态法获取实时形变数据，在线重构天线阵列模型，并结合循环算法(CA)与二阶锥规划(SOCP)求解最优极化波束重构的动态优化问题。仿真结果表明，该方法能够在一定形变范围内实现在线天线阵列重构，并根据测量应变位移数据实现最优极化波束在线重构，方向图增益、波束宽度以及极化匹配设计均能满足工程应用要求。

一种基于柔性形变天线的极化波束在线重构技术

针对柔性极化阵列天线因其结构实时形变而难以波束重构以及性能受损的问题，该文提出一种基于柔性形变天线的极化波束在线重构技术。首先，基于无人机机翼模型的柔性形变状态进行阵列建模，借助于模态法得到实时形变数据，在线重构天线阵列模型；其次，基于矢量阵列天线的阵元响应，构建3维空间中的柔性阵列信号模型；最后，将循环算法(CA)与2阶锥规划(SOCP)进行深度结合设计以求解最优极化波束重构的动态优化问题。仿真结果表明：在一定的形变范围内，即在环境载荷对不同弧度与角度需求下，该文所提方法能够实现在线天线阵列重构，并根据所测量应变位移数据而实现最优极化波束在线重构，方向图增益、波束宽度以及极化匹配设计均能满足工程应用要求。

柔性阵列天线载机与阵列模型示意图

柔性极化阵列天线阵元示意图

柔性形变天线极化波束在线重构方案框图

不同算法的最优极化波束形成

两种柔性形变天线阵列模型

理想阵列模型与重构阵列模型的最优波束形成

$ d = {90^ \circ } $,$ k = 0.8 $时，柔性阵列天线的最优极化波束

极化波束在线重构算法的实现步骤

输入：阵列模型变形时间，天线载荷，目标天线阵列模型，目标波束方向，目标主瓣极化参数

循环开始：$ i $从$ 0 $～$ n $开始循环

步骤1 初始化，产生变形前柔性阵列天线模型。

步骤2 在$ {t_i} $时刻，柔性阵列天线阵列模型发生自主变形，通过模态法计算应变—位移矩阵，得到实际阵列模型。

步骤3 SOCP求解，通过原始-对偶内点法，根据实时阵列模型，得到最优极化状态以及波束矩阵。

循环结束

不同算法求解最优极化波束形成指标分析

理想阵列与重构阵列的波束效果对比

不同时刻柔性阵列机身弧面弧度对应极化波束响应($ d(t) \in ({60^ \circ },{100^ \circ }) $)

不同时刻柔性阵列两翼斜面夹角对应极化波束响应($ k(t) \in \left( {0.1,1.0} \right) $)

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本文原文来自《电子与信息学报》