(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210987701.3 (22)申请日 2022.08.17 (71)申请人 中国地质大 学 （武汉） 地址 430000 湖北省武汉市洪山区鲁磨路 388号 (72)发明人 曾三友　赵云龙　何珺　赵菲　 (74)专利代理 机构 武汉知产时代知识产权代理 有限公司 42 238 专利代理师 王佩 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06N 3/12(2006.01) G06F 111/04(2020.01) G06F 111/06(2020.01) (54)发明名称 一种线性天线阵列设计的双层优化方法及 电子设备 (57)摘要 本发明涉及一种线性天线阵列设计的双层 优化方法及电子设备， 将高约束的天线设计问题 分离成凸和非凸的部分。 双层优化方法的内层优 化处理的是阵列综合问题的凸部分， 内层优化的 目标是天线的理想场和设计场之间的场误差， 这 是一种凸目标， 赋形区域和旁瓣区域的柔性振幅 约束也像场约束一样形成凸约束。 这样， 内层优 化就是一个凸优化问题。 外层优化处理的是阵列 综合问题的非凸部分， 理想场的相位作为决策变 量， 采用具有较强的全局搜索能力的演化算法求 解。 由于内层优化的存在， 外层优化比一般的非 凸方向图综合问题简单。 该双层优化方法在显著 减少优化变量数量的情况下， 获得了很好的波束 赋形性能。 权利要求书4页 说明书11页 附图7页 CN 115270507 A 2022.11.01 CN 115270507 A 1.一种线性天线阵列设计的双 层优化方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： S1、 将阵列天线设计构建成一个一般约束优化问题， 该约束优化问题 的目标为理想方 向图 和设计方向图 之间的误差， 决策变量是阵元激励 S2、 将S1的约束优化问题的目标修改为理想辐射场 和设计辐射场 之间的误差， 完成 约束优化问题的目标从非凸向凸的转换， 此时的决策变量是理想辐射场在赋形区域的相位 S3、 构建一个凸优化 问题， 用于求出理想辐射场在赋形区域的相位 对应的阵元 激励 S4、 将S2构建的外层优化问题和S3构建的内层优化问题相结合， 构成一个双层优化问 题； S5、 用演化算法和凸优化相结合的方法求解S4构建的双层优化问题， 得到优化后的线 性天线阵列。 2.根据权利要求1所述的双 层优化方法， 其特 征在于， 步骤S5包括： S5.1、 采用演化 算法随机初始化产生相位 此时代数g＝0； S5.2、 采用凸优化的方法求 解 对应的阵元激励 S5.3、 根据阵元激励 确定的天线性能评估 S5.4、 判断 是否满足性能指标或演化算法的代数g是否达到最大迭代次数； 若 是， 则输出 演化算法终止迭代； 否则， 代数g＝g+1， 演化算法通过算子产生新的 然后返回S5.2。 3.根据权利要求1所述的双 层优化方法， 其特 征在于， 步骤S1包括： 设置一个N阵元的线性天线阵列沿x轴分布， 则该天线阵列的远区辐射场为： 其中， 其中， θi是一个方向角， E( θi)是在θi方向上的辐射场； A是M ×N维的有源阵元方向图矩 阵； wi表示第i个阵元的复数激励， i＝1,2, …,N； 为阵列天线的激励向量； M为方向角的采 样个数； 辐射场表示为振幅 ‑相位结构： 这里pi是θi方向辐射场的振幅， βi是θi方 向辐射场的相位， 全部方向辐射场的振幅被称为辐射方向图， 如下公式： 权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115270507 A 2用 和 表示理想辐射场和理想方向图， 用 和 表示设计辐射场和设计方向图； 天线 设计的目的是确定一组参数， 使得该参数激励得到的辐射场和方向图无限逼近理想辐射场 和理想方向图； 一般天线设计问题会构建成一个约束优化问题， 然后用演化 算法进行求 解， 公式如下： 其中， 表示理想方向图 和设计方向图 之间的误差； 表示向量二 范 数的平方， Mshaped和Msidelobe分别是赋形区域和旁瓣区域的采样点 数； 是这 个约束优化问题的决策变量， 和 分别是复数激励 的实部和虚部； 是θi方 向上的理想方向图， 和 分别是赋形区域θi方向上的和旁瓣区域θj方向上的 设计方向图； 和 是给定的约束， 表示对赋形区域和旁瓣区域的限制； 当 时， 约束就变成了等 式约束。 4.根据权利要求1所述的双 层优化问题， 其特 征在于， 步骤S2包括： 在不考虑互耦的全向元情况 下， 天线阵列在 θi方向上的辐射场E( θi)表示为： 其中， 其中， θ是波长； Dj是第j个阵元到原点的距离， 这里 的dk表示第k个阵元和第k+1个阵元 之间的距离； N表示阵元总数； wi表示第i个阵元的复数激 励， i＝1,2,…,N； 为阵列天线的激励向量； 将天线阵列在 θi方向上的辐射场 重写成实部、 虚部结构： 其中 R(E( θi))＝picosβi,I(E( θi))＝pisinβi权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115270507 A 3