一、引  言

　　天線的相對旁瓣電平是評價天線性能的一個重要參數(shù)，在給定天線形狀與陣元個數(shù)的前提下，如何通過恰當(dāng)?shù)剡x擇各陣元的間距、饋電流幅值及相位來限度地降低旁瓣電平是陣列天線綜合中的一類重要課題。對于形狀復(fù)雜的大陣列天線，傳統(tǒng)的解析法（如道爾夫--切比雪夫綜合法等）難以計算，采用數(shù)值分析方法較為適宜。由于天線化問題中的目標(biāo)函數(shù)或約束條件大多呈多參數(shù)、非線性、不可微甚至不連續(xù)，因此基于梯度尋優(yōu)技術(shù)的傳統(tǒng)數(shù)值優(yōu)化方法無法有效地求得工程滿意解；近年來一種模擬自然進化的遺傳算法開始應(yīng)用于計算電磁學(xué)領(lǐng)域[1,2],該算法只要求待解問題是可計算的，并無可微性等其它限制，同時，由于該算法采用了優(yōu)化的隨機搜索技術(shù)，能以較大的概率和較快的速率求得全局解。本文運用遺傳算法對一個具有1024個陣元的矩形平面陣列的陣元間距及饋電流幅值進行了優(yōu)化，使該方陣的相對旁瓣電平由均勻方陣的-13.27dB降至-34.56dB.結(jié)果表明，遺傳算法對解決天線系統(tǒng)中大量復(fù)雜的化問題具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　天線（antenna）是一種變換器，它把傳輸線上傳播的導(dǎo)行波，變換成在無界媒介（通常是自由空間）中傳播的電磁波，或者進行相反的變換。在無線電設(shè)備中用來發(fā)射或接收電磁波的部件。無線電通信、廣播、電視、雷達、導(dǎo)航、電子對抗、遙感、射電天文等工程系統(tǒng)，凡是利用電磁波來傳遞信息的，都依靠天線來進行工作。此外，在用電磁波傳送能量方面，非信號的能量輻射也需要天線。一般天線都具有可逆性，即同一副天線既可用作發(fā)射天線，也可用作接收天線。同一天線作為發(fā)射或接收的基本特性參數(shù)是相同的。這就是天線的互易定理。

　　遺傳算法（Genetic Algorithm）是模擬達爾文生物進化論的自然選擇和遺傳學(xué)機理的生物進化過程的計算模型，是一種通過模擬自然進化過程搜索解的方法，它初由美國Michigan大學(xué)J.Holland教授于1975年首先提出來的，并出版了頗有影響的專著《Adaptation in Natural and Artificial Systems》，GA這個名稱才逐漸為人所知，J.Holland教授所提出的GA通常為簡單遺傳算法（SGA）。

　　二、陣列天線旁瓣電平的優(yōu)化問題

　　1.陣列天線的方向圖函數(shù)

　　由許多相同的單個天線（如對稱天線）按一定規(guī)律排列組成的天線系統(tǒng)，也稱天線陣。

　　考慮由2Nx行2Ny列陣元構(gòu)成的矩形平面陣列。各陣元的相位相同，間距dxi、dyj及歸一化電流振幅Ixm、Iyn可以不同，但關(guān)于x軸和y軸對稱，如圖1.設(shè)陣元的方向圖函數(shù)為cosθ，則此面陣的方向圖函數(shù)為[4]:

（1）

　　這里，k=2π/λ，λ為波長。第m行n列陣元的電流振幅由下式計算：

　　Imn=IxmIynI0 （2）

　　式中，I0為電流振幅基數(shù)。

　　圖1 矩形平面陣列結(jié)構(gòu)示意圖

　　2.用遺傳算法優(yōu)化陣列天線旁瓣電平

　　（1）編碼方案與計算流程

　　應(yīng)用遺傳算法時首先應(yīng)對解參數(shù)進行編碼，陣元的歸一化電流及間距的編碼方案由下面兩式給出：

　　（3）

　　（4）

　　式中，t為調(diào)節(jié)參數(shù)，在本文的實例中取為t=12.5;b為二進制碼向量，其元素取值為0或1;運用遺傳算法的計算流程圖如圖2所示。

　　圖2 遺傳算法計算流程圖

　　（2）自適應(yīng)變異算子

　　為避免迭代后期出現(xiàn)封閉競爭而導(dǎo)致的進化滯緩及未成熟收斂現(xiàn)象，本文提出了根據(jù)每代個體進化的狀況動態(tài)調(diào)整變異比例的自適應(yīng)變異算子。設(shè)Pm為變異概率，其在每代中的取值由下式確定：

　　Pm=Pm0（RS+1）  （5）

　　式中Pm0為初定的變異比率；R為個體連續(xù)未進化的代數(shù)；S為變異參數(shù)，本文的計算實例中取為S=2.

　　對比研究表明，采用自適應(yīng)變異算子能較好的提高進化速率及優(yōu)化結(jié)果。

　　三、計算實例

　　選擇一個32行×32列的矩形平面陣列作為研究實例，對其相對旁瓣電平進行了優(yōu)化。選取dxi=dyi、Ixm=Iym,根據(jù)方向圖相乘原理和本題的對稱性，只須計算一行中位于y軸一側(cè)的16個陣元的優(yōu)化分布。該陣列的嘗試解的規(guī)模達到了（32×32）16=1.4615×1048,但遺傳算法運用其特有的選擇優(yōu)化策略，僅通過對其中的28200個嘗試解進行評估后，便給出了相對旁瓣電平的優(yōu)化值：-34.56dB,此結(jié)果較之均勻面陣的-13.27dB[4]降低了21.29dB,優(yōu)化的效果是明顯的。圖3給出了經(jīng)優(yōu)化后的非均勻面陣在X-Z主面內(nèi)的方向圖。與之對應(yīng)的陣元間距及歸一化電流見表1.

　　圖3 已優(yōu)化的非均勻面陣X-Z主面方向圖

　　表1 經(jīng)優(yōu)化后的陣元電流振幅及間距

　　圖4描繪了本例中經(jīng)優(yōu)化后的平面陣列在三維空間中的立體方向圖。從圖中可以清晰地看到，除了在X軸（Φ=0°）和Y軸（Φ=90°）處各有一列副瓣低于-34.56dB的波峰之外，在其它區(qū)域內(nèi)沒有電平高于-35dB的副瓣波峰；而且，在副瓣被大幅度降低的情況下，主瓣并未明顯展寬。計算得知，具有相同陣元數(shù)的均勻面陣的主瓣寬度為3.23°，而經(jīng)優(yōu)化后的面陣的主瓣寬度為4.15°，僅比優(yōu)化前增加了0.92°，這表明該面陣仍具有良好的方向性。

　　圖4 優(yōu)化后的平面陣列立體方向圖

　　四、結(jié)  論

　　用遺傳算法求解大型陣列天線的優(yōu)化問題，具有算法結(jié)構(gòu)簡單、搜索效率高、優(yōu)化結(jié)果好的特點。文中提出的自適應(yīng)變異算子能夠避免封閉競爭導(dǎo)致的進化滯緩及未成熟收斂現(xiàn)象，對豐富遺傳算法的應(yīng)用作了有益的探討。