本發(fā)明屬于天線設(shè)計(jì)，具體涉及一種多角度接收微波無線傳能發(fā)射天線非規(guī)則子陣設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

1、近年來，微波無線能量傳輸受到了廣泛關(guān)注。微波無線能量傳輸系統(tǒng)可為某些特定設(shè)備供電，如無人機(jī)供電，電動(dòng)汽車充電和太陽能衛(wèi)星。波束收集效率（beam?collectionefficiency，bce）是評(píng)估微波無線能量傳輸系統(tǒng)性能的常用指標(biāo)，定義為接收整流天線孔徑上輻射的能量與發(fā)射天線總發(fā)射能量的比率。許多關(guān)于天線陣列的研究主要優(yōu)化陣列激勵(lì)以實(shí)現(xiàn)高波束收集效率。為降低成本，通常會(huì)以子陣形式組成陣列。然而，子陣形狀相同的均勻陣列由于子陣的周期排布，在掃描時(shí)會(huì)出現(xiàn)柵瓣，這對(duì)傳能系統(tǒng)的安全性和效率產(chǎn)生極大地影響。不規(guī)則模塊化子陣相控陣通過打亂相位中心消除柵瓣，引起了廣泛關(guān)注。

2、對(duì)于非規(guī)則子陣劃分技術(shù)，多數(shù)學(xué)者關(guān)注點(diǎn)主要在最大副瓣電平。而微波無線傳能領(lǐng)域研究較少，主要包括以下設(shè)計(jì)思路：（1）僅考慮發(fā)射天線與接收天線正對(duì)時(shí)的波束收集效率，首先得到使bce最大的參考激勵(lì)，通過激勵(lì)匹配技術(shù)對(duì)子陣饋電激勵(lì)進(jìn)行激勵(lì)匹配，從而實(shí)現(xiàn)正對(duì)時(shí)波束收集效率的最大化；（2）考慮一定掃描范圍內(nèi)各接收區(qū)域的bce，首先基于廣義bce凸優(yōu)化對(duì)陣面進(jìn)行劃分設(shè)計(jì)，再在該劃分基礎(chǔ)上，進(jìn)行饋電激勵(lì)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3、雖然上述設(shè)計(jì)給出了陣面的非規(guī)則子陣劃分和饋電激勵(lì)設(shè)計(jì)方法，但其中每個(gè)子陣都有不同的饋電激勵(lì)，需要很多有源通道類型，成本很高，這在工程實(shí)踐中仍然難以接受。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本發(fā)明提供了一種多角度接收微波無線傳能發(fā)射天線非規(guī)則子陣設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明要解決的技術(shù)問題通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

2、本發(fā)明提供了一種多角度接收微波無線傳能發(fā)射天線非規(guī)則子陣設(shè)計(jì)方法，包括：

3、步驟1：以不同類型的4單元多聯(lián)骨牌作為二級(jí)子陣構(gòu)建填充集合，所述填充集合包括多個(gè)二級(jí)子陣集；

4、步驟2：將設(shè)計(jì)陣面按照預(yù)設(shè)比例進(jìn)行縮小轉(zhuǎn)換后得到轉(zhuǎn)換陣面，其中，所述轉(zhuǎn)換陣面的陣元數(shù)量不超過1000；

5、步驟3：基于所述填充集合得到所述轉(zhuǎn)換陣面的二級(jí)子陣填充可行解集；

6、步驟4：將所述二級(jí)子陣按照所述預(yù)設(shè)比例擴(kuò)大還原后得到擴(kuò)大二級(jí)子陣，獲取所述擴(kuò)大二級(jí)子陣的一級(jí)子陣填充可行解集，所述一級(jí)子陣為2單元多聯(lián)骨牌、4單元多聯(lián)骨牌和8單元多聯(lián)骨牌中的至少一種；

7、步驟5：構(gòu)建多角度接收微波無線傳能的波束收集效率優(yōu)化模型；

8、步驟6：根據(jù)所述波束收集效率優(yōu)化模型、所述轉(zhuǎn)換陣面的二級(jí)子陣填充可行解集以及所述擴(kuò)大二級(jí)子陣的一級(jí)子陣填充可行解集，得到所述設(shè)計(jì)陣面的子陣填充最優(yōu)解。

9、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟1包括：

10、步驟1.1：確定不同類型的所述4單元多聯(lián)骨牌的非規(guī)則程度；

11、步驟1.2：按照非規(guī)則程度由高到低對(duì)不同類型的所述4單元多聯(lián)骨牌進(jìn)行排序；

12、步驟1.3：對(duì)排序后的各類型的4單元多聯(lián)骨牌進(jìn)行排列組合，得到多個(gè)二級(jí)子陣集，所述多個(gè)二級(jí)子陣集構(gòu)成所述填充集合。

13、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟3包括：

14、步驟3.1：根據(jù)預(yù)設(shè)的區(qū)域二級(jí)子陣填充的最大可行解數(shù)目，得到所述轉(zhuǎn)換陣面的分區(qū)取值范圍；

15、步驟3.2：根據(jù)工程要求從所述分區(qū)取值范圍內(nèi)選取分區(qū)數(shù)目，根據(jù)所述分區(qū)數(shù)目，利用kmeans聚類方法對(duì)所述轉(zhuǎn)換陣面進(jìn)行分區(qū)，得到分區(qū)結(jié)果；

16、步驟3.3：根據(jù)所述填充集合和所述分區(qū)結(jié)果，利用dlx算法計(jì)算得到每個(gè)分區(qū)的二級(jí)子陣填充可行解，所有分區(qū)的二級(jí)子陣填充可行解構(gòu)成所述轉(zhuǎn)換陣面的二級(jí)子陣填充可行解集。

17、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟4包括：

18、步驟4.1：將各分區(qū)的二級(jí)子陣按照所述預(yù)設(shè)比例擴(kuò)大還原后得到對(duì)應(yīng)的擴(kuò)大二級(jí)子陣；

19、步驟4.2：根據(jù)各分區(qū)選定的一級(jí)子陣?yán)胐lx算法計(jì)算得到各分區(qū)的擴(kuò)大二級(jí)子陣的一級(jí)子陣填充可行解，所有分區(qū)的擴(kuò)大二級(jí)子陣的一級(jí)子陣填充可行解構(gòu)成所述擴(kuò)大二級(jí)子陣的一級(jí)子陣填充可行解集。

20、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟5包括：

21、步驟5.1：獲取所述設(shè)計(jì)陣面的輻射陣列因子；

22、步驟5.2：根據(jù)所述輻射陣列因子和微波接收區(qū)域的形狀，確定多角度接收微波無線傳能的波束收集效率和接收區(qū)域外最大輻射電平；

23、步驟5.3：根據(jù)所述波束收集效率構(gòu)建多角度接收微波無線傳能的波束收集效率優(yōu)化模型。

24、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述輻射陣列因子表示為：

25、；

26、式中，表示設(shè)計(jì)陣面的輻射陣列因子，，，為天線坐標(biāo)系的角度坐標(biāo)，為方位角，為俯仰角，為設(shè)計(jì)陣面的陣元的數(shù)量，為設(shè)計(jì)陣面的子陣的數(shù)量，為第個(gè)子陣的復(fù)激勵(lì)，表示第個(gè)陣元所屬的子陣，如果第個(gè)陣元屬于第個(gè)子陣，則，否則，，為工作波長，為第個(gè)陣元的位置坐標(biāo)，為虛數(shù)單位。

27、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述波束收集效率與所述接收區(qū)域外最大輻射電平分別表示為：

28、；

29、；

30、式中，表示波束收集效率，表示接收區(qū)域外最大輻射電平，為接收區(qū)域內(nèi)的輻射功率，為整個(gè)可見空間內(nèi)的輻射功率，，當(dāng)微波接收區(qū)域?yàn)榫匦螘r(shí)，，當(dāng)微波接收區(qū)域?yàn)閳A形時(shí)，，分別為矩形微波接收區(qū)域的長和寬，為圓形微波接收區(qū)域的半徑，，，為掃描方位角，為掃描俯仰角。

31、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述波束收集效率優(yōu)化模型為第一優(yōu)化模型或第二優(yōu)化模型，其中，

32、所述第一優(yōu)化模型表示為：

33、；

34、所述第二優(yōu)化模型表示為：

35、；

36、式中，表示最小化，為設(shè)計(jì)陣面的子陣填充最優(yōu)解，為接收區(qū)域數(shù)目。

37、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

38、本發(fā)明的多角度接收微波無線傳能發(fā)射天線非規(guī)則子陣設(shè)計(jì)方法，根據(jù)不同類型的4單元多聯(lián)骨牌的非規(guī)則程度進(jìn)行排列組合得到包括有多個(gè)二級(jí)子陣集的填充集合，基于填充集合得到設(shè)計(jì)陣面的填充可行解集，對(duì)于微波無線傳能的多接收區(qū)域應(yīng)用場(chǎng)景，構(gòu)建波束收集效率優(yōu)化模型，根據(jù)波束收集效率優(yōu)化模型和填充可行解集求解得到設(shè)計(jì)陣面的最優(yōu)填充方案，本發(fā)明方法具有成本低、安全性高的特點(diǎn)，且可適用于多接收區(qū)域，在工程應(yīng)用中前景廣闊。

39、上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，而可依照說明書的內(nèi)容予以實(shí)施，并且為了讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更明顯易懂，以下特舉較佳實(shí)施例，并配合附圖，詳細(xì)說明如下。

技術(shù)特征：

1.一種多角度接收微波無線傳能發(fā)射天線非規(guī)則子陣設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多角度接收微波無線傳能發(fā)射天線非規(guī)則子陣設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟1包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多角度接收微波無線傳能發(fā)射天線非規(guī)則子陣設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟3包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多角度接收微波無線傳能發(fā)射天線非規(guī)則子陣設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟4包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多角度接收微波無線傳能發(fā)射天線非規(guī)則子陣設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟5包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多角度接收微波無線傳能發(fā)射天線非規(guī)則子陣設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述輻射陣列因子表示為：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多角度接收微波無線傳能發(fā)射天線非規(guī)則子陣設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述波束收集效率與所述接收區(qū)域外最大輻射電平分別表示為：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的多角度接收微波無線傳能發(fā)射天線非規(guī)則子陣設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述波束收集效率優(yōu)化模型為第一優(yōu)化模型或第二優(yōu)化模型，其中，

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種多角度接收微波無線傳能發(fā)射天線非規(guī)則子陣設(shè)計(jì)方法，涉及天線設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明根據(jù)不同類型的4單元多聯(lián)骨牌的非規(guī)則程度進(jìn)行排列組合得到包括有多個(gè)二級(jí)子陣集的填充集合，基于填充集合得到設(shè)計(jì)陣面的填充可行解集，對(duì)于微波無線傳能的多接收區(qū)域應(yīng)用場(chǎng)景，構(gòu)建波束收集效率優(yōu)化模型，根據(jù)波束收集效率優(yōu)化模型和填充可行解集求解得到設(shè)計(jì)陣面的最優(yōu)填充方案，本發(fā)明方法具有成本低、安全性高的特點(diǎn)，且可適用于多接收區(qū)域，在工程應(yīng)用中前景廣闊。

技術(shù)研發(fā)人員：李勛,薛椿懷,段寶巖,張逸群,陳光達(dá),胡乃崗
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西安電子科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30