大型阵列天线阻抗与散射矩阵解析求解及方向图优化

"大型阵列天线阻抗矩阵和散射矩阵的求解及应用 (2012年) - 自然科学论文" 这篇论文详细探讨了如何计算和应用大型阵列天线的阻抗矩阵和散射矩阵。作者首先通过公式推导，建立了阵列天线的阻抗矩阵和散射矩阵与辐射场之间的解析关系，这是理解天线性能的基础。阻抗矩阵描述了阵列中各单元之间的相互作用，而散射矩阵则反映了天线对外部电磁波的响应。 论文提出了一种新颖的方法，利用高频结构仿真软件HFSS（High Frequency Structure Simulator）来求解这两个矩阵。HFSS是一款广泛使用的电磁仿真工具，能精确模拟天线的电磁行为。通过这种方法，可以有效处理大型阵列天线的复杂计算问题，尤其是当直接计算整个大型阵列变得过于耗时或资源密集时。 进一步，论文阐述了如何使用小型阵列的阻抗矩阵等效地表示大型阵列的特性，将等效矩阵代入解析表达式中，从而实现对大型阵列辐射场的精确计算。这种简化策略是解决大规模问题的一种常见方法，能够减少计算复杂度，同时保持较高的精度。 此外，论文还引入了遗传算法来优化大型阵列天线的馈电幅度和相位，目的是精确综合出所需的阵列方向图。遗传算法是一种启发式搜索算法，适用于多目标优化问题，它能通过迭代找到近似最优解。论文以16元微带贴片直线阵列天线为例，验证了这种方法的有效性。实验结果显示，优化后的天线在-25°到25°的扫描范围内，主波束得以精确控制，最大副瓣电平低于-18.24dB，性能表现良好。 相比于均匀阵列，优化后的阵列在保持半功率波瓣宽度不变的同时，增益损失小于0.85dB，显示出了良好的方向图控制能力。计算结果与HFSS的仿真结果高度一致，证明了该方法的准确性和可靠性。 关键词涉及到的关键概念包括：阵列天线设计、阻抗矩阵分析、散射矩阵计算、阵列辐射方向图的形成以及方向图综合优化技术。这些是天线与微波技术领域中的核心概念，对于理解和设计高性能的阵列天线系统至关重要。