CN103646126A - 微带阵列聚焦天线的设计方法及微带阵列聚焦天线 - Google Patents

Abstract

针对现有聚焦天线设计方法中聚焦效果不理想或具有大量旁瓣的缺陷，本发明提出了一种新型的微带阵列聚焦天线的设计方法及设计出的微带阵列聚焦天线，将天线单元的耦合效应已经考虑进去，得到的相位分布刚好可以满足设计聚焦天线所要求的二次球面波分布，同时可以将传输效率做到最大，设计出的聚焦天线几乎没有任何旁瓣且具有最佳幅度相位分布，有效聚焦距离和传输效率均有显著提高。

Description

微带阵列聚焦天线的设计方法及微带阵列聚焦天线

技术领域

本发明属于平面天线设计技术领域，尤其是涉及一种精确度更高的聚焦天线的新型设计方法及通过该方法设计的微带阵列聚焦天线。 

背景技术

微波作为一种信息传输的手段早已广为人知，并在近年来取得了飞速发展。微波作为功率传输的手段在19世纪首次被提出，并开展了初步的实验研究。微波作为功率传输的手段的优点是实现了功率传输的无线化，这在很多场合都有实用价值。上世纪50年代起人们就已经开始研究电磁能量的输运问题，并将电磁波作为能量的传输手段，这种无线输能方式从上世纪70年代起得到了飞速发展，例如美国加州理工学院的喷气实验室演示了工作于S波段的地面微波输电***，以及靠微波供电的直升飞机。80年代后期，输能的重点转向了太空活动，工作频率也从S波段转向Ka波段和F波段。微波输能在太空的主要应用是将卫星或太空工作平台收集到的太阳能输给卫星或地面，这是一项耗资巨大的工程，但带来的经济效益也是十分可观的。 

为了保证电磁波能量在空间传输时不扩散，电磁波必须像光一样能聚焦到接收装置，从光的聚焦类比得知，为使电磁波聚焦，发射天线的口径的相位必须是球面分布。上个世纪60年代初期，Goubao,Shermen,Borigiotti等人对口径天线的聚焦问题做了大量的工作，奠定了电磁波输能的理论基础。电磁波聚焦的理论不仅可以用于微波输能，而且可以用于雷达和微波定向能武器。对微波定向能武器来说，其作用是使得目标在感兴趣的部分的电流分布达到最大；对雷达来说，其作用在于提高回波强度。同时可以应用于医学上的微波诱导高温，要将能量最大可能聚焦到癌变组织进行高温加热，而不对其周围的健康组织构成威胁。 

传统的聚焦天线是通过在喇叭天线前放一个介电透镜，这类聚焦天线在聚焦平面附近有高的旁瓣，显然这类聚焦天线的结果并不是十分理想，而且这类聚焦天线通常体积都很大，而且设计非常困难，也不容易去实现，同时造价很高，不能满足工程的广泛应用。 

M.Bogosanovic给出了一种等幅不同相的设计方法，即相位满足二次球面波分布，而幅度保持不变，从实验效果来看，在聚焦位置附近有大量旁瓣，聚焦效果并不是十分理想。 

Shaya Karimkashi给出了一种基于道尔夫———切尔雪夫分布的设计聚焦天线的方法，即不同幅不同相，其中幅度满足切尔雪夫分布，而相位满足二次球面波分布，从实验结果来看，这种设计方法将副瓣降到了-20dB以下，同时所得到的近场分布图也很好，但有一个明显的的不足，就是聚焦点的实际位置同仿真聚焦位置之间的误差比较大，理论上聚焦位置为200mm，而实际聚焦距离只达到了60mm，显然这样的设计方法仍然不够理想。因此，研究一种新型的微带阵列聚焦天线的设计方案非常必要且有相当重要的实际意义。 

发明内容

针对现有聚焦天线设计方法中聚焦效果不理想并具有大量旁瓣的缺陷，本发明提出了一种新型的微带阵列聚焦天线的设计方法及微带阵列聚焦天线，设计出的聚焦天线几乎没有旁瓣且具有最佳幅度相位分布。 

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案： 

一种微带阵列聚焦天线的设计方法，包括如下步骤： 

步骤1.将天线单元构成一个阵列作为发射天线，在预期聚焦位置放置一个同发射天线单元相同尺寸的天线作为接收天线，构造一个无线传输***； 

步骤2.定义所述无线传输***的散射参数矩阵如下： 

$\left[\begin{array}{c}\left[b_t\right]\\ \left[b_r\right]\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\left[S_{\mathrm{tt}}\right]& \left[S_{\mathrm{tr}}\right]\\ \left[S_{\mathrm{rt}}\right]& \left[S_{\mathrm{rr}}\right]\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\left[a_t\right]\\ \left[a_r\right]\end{array}\right]$

其中[a_t]=[a₁,a₂,...,a_n]^T，[a_r]=[a_n+1]，[b_t]=[b₁,b₂,...,b_n]^T，[b_r]=[b_n+1]，下标‘t’表示发射天线，‘r’表示接收天线，a_i(i=1,2…n+1)表示归一化入射波，b_i（i=1,2,…n+1）表示归一化反射波，S_tt、S_rt、S_tr、S_rr表示各对应的S参数； 

步骤3.定义传输效率T_array为接收天线的功率和发射天线的输入功率的比值： 

$T_{\mathrm{array}}=\frac{\frac{1}{2}({\left|\right[b_r\left]\right|}^2-{\left|\right[a_r\left]\right|}^2)}{\frac{1}{2}({\left|\right[a_t\left]\right|}^2-{\left|\right[b_t\left]\right|}^2)};$

步骤4.通过下述公式计算得到各个发射单元的激励幅度跟相位： 

[A][a_t]=T_array[B][a_t] 

其中

[a_t]为发射天线阵各单元端口的激励； 

步骤5.通过电磁场仿真软件，得到天线阵列的相关散射参数，根据步骤4中的公式计算得到的各端口激励后进行馈电网络的设计，使得各端口的分配值同计算得到的值相一致。 

作为微带阵列聚焦天线的设计方法的一种优选方案，所述阵列包括面阵列结构或线阵列结构。 

作为微带阵列聚焦天线的设计方法的一种优选方案，所述电磁场仿真软件包括IE3D、HFSS或FEKO电磁仿真软件。 

一种微带阵列聚焦天线，由阵列式分布的天线单元和连接天线单元之间的馈电网络构成，所述馈电网络通过下述步骤进行设计： 

步骤1.在发射天线的预期聚焦位置放置一个同发射天线单元相同尺寸的天线作为接收天线，接收天线与发射天线构成一个无线传输***； 

步骤2.定义所述无线传输***的散射参数矩阵如下： 

$\left[\begin{array}{c}\left[b_t\right]\\ \left[b_r\right]\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\left[S_{\mathrm{tt}}\right]& \left[S_{\mathrm{tr}}\right]\\ \left[S_{\mathrm{rt}}\right]& \left[S_{\mathrm{rr}}\right]\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\left[a_t\right]\\ \left[a_r\right]\end{array}\right]$

其中[a_t]=[a₁,a₂,...,a_n]^T，[a_r]=[a_n+1]，[b_t]=[b₁,b₂,...,b_n]^T，[b_r]=[b_n+1]，下标‘t’表示发射天线，‘r’表示接收天线，a_i(i=1,2…n+1)表示归一化入射波，b_i（i=1,2,…n+1）表示归一化反射波，S_tt、S_rt、S_tr、S_rr表示各对应的S参数； 

步骤3.定义传输效率T_array为接收天线的功率和发射天线的输入功率的比值： 

$T_{\mathrm{array}}=\frac{\frac{1}{2}({\left|\right[b_r\left]\right|}^2-{\left|\right[a_r\left]\right|}^2)}{\frac{1}{2}({\left|\right[a_t\left]\right|}^2-{\left|\right[b_t\left]\right|}^2)};$

步骤4.通过下述公式计算得到各个发射单元的激励幅度跟相位： 

[A][a_t]=T_array[B][a_t] 

其中

[a_t]为发射天线阵各单元端口的激励； 

步骤5.通过电磁场仿真软件，得到天线阵列的相关散射参数，根据步骤4中的公式计算得到的各端口激励后进行馈电网络的设计，使得各端口的分配值同计算得到的值相一致。 

作为微带阵列聚焦天线的一种优选方案，所述馈电网络的馈电方式包括同轴馈电或边馈方式。 

作为微带阵列聚焦天线的一种优选方案，所述阵列包括面阵列结构或线阵列结构。 

与现有技术相比，本发明提供的新的聚焦天线的设计方法及根据该方法设计而成的聚焦天线，将天线单元的耦合效应已经考虑进去，得到的相位分布刚好可以满足设计聚焦天线所要求的二次球面波分布，同时可以将传输效率做到最大，有效聚焦距离和传输效率均有显著提高，几乎没有旁瓣。 

附图说明

图1为发射天线阵列和接收天线形成的无线传输***结构示意图； 

图2为无线传输***信号传输示意图； 

图3为单个天线单元示意图； 

图4为馈电网络示意图，其中数字1，2，…,17表示各端口； 

图5为发射天线示意图； 

图6为天线阵列沿着Z方向的电场归一化图； 

图7为天线在聚焦平面沿着X轴方向的电场分布图； 

图8为天线在聚焦平面沿Y轴方向的电场分布图； 

图9是在最大电场强度密度所在平面的电场强度分布图。 

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。 

聚焦天线设计面临的一个重要问题就是得到合适的近场辐射图，使之有较低的旁瓣，因为较高的旁瓣会影响聚焦的准确性以及传输效率，因此，合理的幅度相位分布是解决这一问题的关键。 

具体地说，本发明采用新的聚焦天线的设计方法，包括如下步骤： 

步骤1.基于无线功率传输***，为了实现传输效率最大化，发射天线的发射能量聚焦在接收天线的位置，首先将天线单元构成一个阵列作为发射天线，在预期聚焦位置（与发射天线距离为D）放置一个同发射天线单元相同尺寸的天线作为接收天线，构造一个无线传输***。发射天线中天线单元为阵列式分布，这里的阵列结构可以采用各类型的阵列天线结构，例如面阵列式、线阵列式结构、共形阵列结构等等。此时***可以看成如图2所示的n+1端口网络，可以用(n+1)×(n+1)散射参数矩阵来表示。 

例如我们以设计频率为2.45GHZ，基板材料为FR4，厚度为3mm,16个天线单元为例，16个天线单元为4*4的面阵列结构，单元之间的间距为60mm，预期聚焦距离为100mm，天线阵列和接收天线如图1所示放置，本发明采用如图3所示的微带贴片天线作为天线单元，但微带贴片天线不应作为本发明的限制，必须指出的是，业内常用的天线单元都可以满足本发明需求。整个***可以看成16+1的端口网络，散射参数矩阵表示为： 

$\left[\begin{array}{c}\left[b_t\right]\\ \left[b_r\right]\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\left[S_{\mathrm{tt}}\right]& \left[S_{\mathrm{tr}}\right]\\ \left[S_{\mathrm{rt}}\right]& \left[S_{\mathrm{rr}}\right]\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\left[a_t\right]\\ \left[a_r\right]\end{array}\right]$

其中[a_t]=[a₁,a₂,...,a_n]^T，[a_r]=[a_n+1]，[b_t]=[b₁,b₂,...,b_n]^T，[b_r]=[b_n+1]，下标‘t’表示发射天线，‘r’表示接收天线，a_i(i=1,2…n+1)表示归一化入射波，b_i（i=1,2,…n+1）表示归一化反射波，S_tt、S_rt、S_tr、S_rr表示各对应的S参数； 

步骤2.定义传输效率T_array为接收天线的功率和发射天线的输入功率的比值： 

$T_{\mathrm{array}}=\frac{\frac{1}{2}({\left|\right[b_r\left]\right|}^2-{\left|\right[a_r\left]\right|}^2)}{\frac{1}{2}({\left|\right[a_t\left]\right|}^2-{\left|\right[b_t\left]\right|}^2)};$

步骤3.通过下述公式计算得到各个发射单元的激励幅度跟相位： 

[A][a_t]=T_array[B][a_t] 

其中

[a_t]为发射天线阵各单元端口的激励； 

步骤4.通过电磁场仿真软件（电磁场仿真软件可采用IE3D或HFSS、FEKO等常用电磁仿真软件），得到天线阵列的相关散射参数，进而根据***间的传输效率得到最大效率值时所对应的端口最佳分布值，以本发明中的具体天线为例，通过运算得到的端口激励如表1所示： 

表1 

步骤5.根据得到的端口值（发射单元的激励幅度跟相位），根据传输线的现有知识，充分利用阻抗变换器、功分器等相关知识，以宽度可以改变幅度，长度可以改变相位为基本原则，设计如图4、图5、图6所示的对应的馈电网络，使得各端口的分配值同之前计算得到的值相一致。其中各个与天线连接的端口（图4中的2,3，…,17,）用50欧姆输入阻抗替代，图4中1处为馈电处，本例中，馈电采用同轴馈电，根据需要，也可以采用其他馈电方式，如边馈方式。 

馈电网络设计好以后，将馈电网络中所用的50欧姆输入阻抗替换成天线单元，从而将天线单元跟馈电网络组成一个整体。 

我们通过电磁仿真软件和暗室近场测试得到本发明设计的天线阵列的电场归一化图（图6），天线在聚焦平面沿着X轴方向的电场分布图（图7）、天线在聚焦平面沿Y轴方向的电场分布图（图8）、最大电场强度密度所在平面的电场强度分布图（图9）。从图6中可以看出测试结果和仿真结果比较吻合，图7中看出主瓣到-35dB都没有出现旁瓣，图8中主瓣到-25dB 都没有出现旁瓣。从图9中可以看出采用本发明提供的设计方法设计的聚焦天线实际聚焦距离可以达到80mm，有效聚焦距离相较现有技术得到了显著提高，同时没有任何旁瓣，传输效率可以达到30%。 

本发明同样还公开了一种微带阵列聚焦天线，包括发射天线阵列，所述发射天线阵列由阵列式分布的发射单元构成，所述发射单元之间通过馈电网络连接，所述馈电网络及通过本发明提供的微带阵列聚焦天线的设计方法进行设计。 

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。 

Claims (6)

1.一种微带阵列聚焦天线的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1.将天线单元构成一个阵列作为发射天线，在预期聚焦位置放置一个同发射天线单元相同尺寸的天线作为接收天线，构造一个无线传输***；

步骤2.定义所述无线传输***的散射参数矩阵如下：

$\left[\begin{array}{c}\left[b_t\right]\\ \left[b_r\right]\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\left[S_{\mathrm{tt}}\right]& \left[S_{\mathrm{tr}}\right]\\ \left[S_{\mathrm{rt}}\right]& \left[S_{\mathrm{rr}}\right]\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\left[a_t\right]\\ \left[a_r\right]\end{array}\right]$

其中[a_t]=[a₁,a₂,...,a_n]^T，[a_r]=[a_n+1]，[b_t]=[b₁,b₂,...,b_n]^T，[b_r]=[b_n+1]，下标‘t’表示发射天线，‘r’表示接收天线，a_i(i=1,2…n+1)表示归一化入射波，b_i（i=1,2,…n+1）表示归一化反射波，S_tt、S_rt、S_tr、S_rr表示各对应的S参数；

步骤3.定义传输效率T_array为接收天线的功率和发射天线的输入功率的比值：

$T_{\mathrm{array}}=\frac{\frac{1}{2}({\left|\right[b_r\left]\right|}^2-{\left|\right[a_r\left]\right|}^2)}{\frac{1}{2}({\left|\right[a_t\left]\right|}^2-{\left|\right[b_t\left]\right|}^2)};$

步骤4.通过下述公式计算得到各个发射单元的激励幅度跟相位：

[A][a_t]=T_array[B][a_t]

其中

[a_t]为发射天线阵各单元端口的激励；

步骤5.通过电磁场仿真软件，得到天线阵列的相关散射参数，根据步骤4中的公式计算得到的各端口激励后进行馈电网络的设计，使得各端口的分配值同计算得到的值相一致。

2.根据权利要求1所述的微带阵列聚焦天线的设计方法，其特征在于：所述阵列包括面阵列结构或线阵列结构。

3.根据权利要求1或2所述的微带阵列聚焦天线的设计方法，其特征在于：所述电磁场仿真软件包括IE3D、HFSS或FEKO电磁仿真软件。

4.一种微带阵列聚焦天线，由阵列式分布的天线单元和连接天线单元之间的馈电网络构成，其特征在于：所述馈电网络通过下述步骤进行设计：

步骤1.在发射天线的预期聚焦位置放置一个同发射天线单元相同尺寸的天线作为接收天线，接收天线与发射天线构成一个无线传输***；

步骤2.定义所述无线传输***的散射参数矩阵如下：

$\left[\begin{array}{c}\left[b_t\right]\\ \left[b_r\right]\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\left[S_{\mathrm{tt}}\right]& \left[S_{\mathrm{tr}}\right]\\ \left[S_{\mathrm{rt}}\right]& \left[S_{\mathrm{rr}}\right]\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\left[a_t\right]\\ \left[a_r\right]\end{array}\right]$

其中[a_t]=[a₁,a₂,...,a_n]^T，[a_r]=[a_n+1]，[b_t]=[b₁,b₂,...,b_n]^T，[b_r]=[b_n+1]，下标‘t’表示发射天线，‘r’表示接收天线，a_i(i=1,2…n+1)表示归一化入射波，b_i（i=1,2,…n+1）表示归一化反射波，S_tt、S_rt、S_tr、S_rr表示各对应的S参数；

步骤3.定义传输效率T_array为接收天线的功率和发射天线的输入功率的比值：

$T_{\mathrm{array}}=\frac{\frac{1}{2}({\left|\right[b_r\left]\right|}^2-{\left|\right[a_r\left]\right|}^2)}{\frac{1}{2}({\left|\right[a_t\left]\right|}^2-{\left|\right[b_t\left]\right|}^2)};$

步骤4.通过下述公式计算得到各个发射单元的激励幅度跟相位：

[A][a_t]=T_array[B][a_t]

其中

[a_t]为发射天线阵各单元端口的激励；

步骤5.通过电磁场仿真软件，得到天线阵列的相关散射参数，根据步骤4中的公式计算得到的各端口激励后进行馈电网络的设计，使得各端口的分配值同计算得到的值相一致。

5.根据权利要求4所述的微带阵列聚焦天线，其特征在于：所述馈电网络的馈电方式包括同轴馈电或边馈方式。

6.根据权利要求4或5所述的微带阵列聚焦天线，其特征在于：所述阵列包括面阵列结构或线阵列结构。

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