用于线性天线阵列旁瓣抑制和波束宽度控制的混合解析—优化框架

在拥挤频谱中更清晰的信号

从5G网络和气象雷达到可以窥视人体内部的医学成像仪，许多现代系统依赖天线阵列来发送和接收定向的无线电波束。波束越窄、侧向泄露的能量越少，这些系统就越能更好地观测、通信并抵抗干扰。本文提出了一种新的阵列设计方法，可产生非常干净、狭窄的波束，同时将所需的计算和硬件要求保持在可控范围内。

为什么天线需要“好邻居”

天线阵列本质上是一组并排的小天线，同时驱动使其表现如同一个更大、更精确的仪器。理想情况下，需要一个指向目标的强主瓣以及在两侧非常微弱的“旁瓣”，否则这些旁瓣会接收或产生干扰。问题在于，压低旁瓣通常会使主瓣变宽，降低分辨率。传统的设计技巧通过调整每个单元的驱动强度，使用称为窗函数或加权的分布来权衡这一折衷。但这些方法通常要求不均匀且不便的驱动级别，并且仍然大量依赖试错式的数值优化。

借用数字通信中的一个技巧

作者借用了数字通信中广泛使用的一种成形曲线，称为升余弦脉冲，并将其从时间域重新解释为空间域。在通信系统中，这种平滑的脉冲可以防止信号相互重叠，同时保持频谱效率。在这里，相同的数学曲线被映射到线性天线阵列周围的角度上。与其简单地用窗函数去乘以标准阵列模式，不如把升余弦曲线视为期望的波束形状本身。作者推导出脉冲时间变量与阵列视角之间的精确对应关系，然后建立一个矩阵方程，其解给出每个天线单元应具有的精确驱动幅度，以模拟该理想形状。

让进化来微调几何形状

一旦目标波束模式通过解析方法固定，问题就从“全面猜测”转向仅确定天线单元的间距。间距对旁瓣有重大影响，但又异常难以优化。作者采用遗传算法——一种受进化启发的搜索策略——来探索不同的间距模式，而他们的闭式方程则能在每个候选方案下即时更新单元驱动幅度。代价函数奖励那些能抑制旁瓣、保持主瓣狭窄且满足实际间距限制的布局，同时自动惩罚数值不稳定的解。这种将幅度用精确数学处理而将位置交给进化搜索的划分，大大削减了优化任务的规模和难度。

用实用硬件实现更清洁的波束

对一个15单元阵列的仿真展示了成效。与标准的均匀驱动阵列相比，该方法将旁瓣降低到原来强度的大约三分之一，同时将主瓣宽度缩小超过一半。在对升余弦“滚降”参数（一项调节曲线平滑度的关键设置）取某一值时，旁瓣可降至约–38 dB，波束宽度略高于5.5度，性能优于相同规模下常用的切比雪夫、泰勒和凯泽窗设计。通过改变该滚降因子，设计者可以在更深的旁瓣抑制和更锐利的波束之间平滑切换，具体取决于更注重干扰抑制还是角分辨率。重要的是，最弱与最强单元驱动之间的差距保持在现代电子设备可接受的范围内，基于偶极子的完整三维电磁仿真也证实了这些预测在更详细模型中仍然成立。

从方程到现实世界的扫描器与传感器

对于雷达、电子对抗和微波医学成像等需要从杂波和干扰中分离微弱回波的场景，这种混合方法提供了一个强有力的新设计手段：以解析定义的波束形状为起点，再用进化搜索微调几何。工程师不再完全依赖繁重的迭代调整，而是从数学上精确的目标出发，随后让优化过程完善单元间距。结果是一种实用的天线阵列设计方案，能以更少的计算负担提供更清洁、更狭窄的波束，帮助未来系统在日益拥挤的电磁环境中更清晰地观测和更可靠地通信。

引用: Elkhawaga, A.M., Aboualalaa, M. & Abd Elnaby, M.M. A hybrid analytical–optimization framework for sidelobe suppression and beamwidth control in linear antenna arrays. Sci Rep 16, 12223 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46772-8

关键词: 天线阵列, 波束赋形, 旁瓣抑制, 遗传优化, 微波成像