CN104779442A - 一种电控波束扫描反射阵天线及其波束扫描方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种低成本、低损耗、结构简单的电控波束扫描反射阵天线及其波束扫描方法。本发明最大的创新点在于该天线采用了两个初始馈源对反射阵面进行照射激励，通过改变馈源1及馈源2不同的幅值激励比以改变总入射场在阵面的相位值分布，从而可实现电控的波束扫描。该天线结构简单，无需额外的偏置电路，故加工方便，稳定性高。该天线只需两个初级馈源既可实现高增益波束扫描，无需额外的T/R，有效降低了制造成本。本发明适用于微波、毫米波、太赫兹频段，可用于无线通信和雷达***中。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术、雷达技术、成像技术领域，具体涉及一种可有效降低成本的电控波束扫描阵列天线及其波束扫描方法。
背景技术
具有波束扫描的阵列天线在现代无线通讯技术，雷达***及成像领域扮演这越发重要的角色。传统的相控阵天线可利用对阵列中各个单元的幅值及相位独立的进行控制，从而可以快速灵活的进行波束的赋形及扫描，具有多目标搜寻、高速率跟踪等独特的优势，在领域内具有重要的地位。但对于具有大量单元的阵列，必然需要大量的收发组件和复杂的馈电网络，这意味着昂贵的制作成本、笨拙的重量及高损耗。这些缺点使其往往局限于军事领域，而在民用领域很少涉及。
平面反射阵天线在此基础上应运而生，其主要结构由初级馈源及加载大量周期谐振单元的平面阵面组成。其工作原理可如下解释：初级馈源对阵面进行空间馈电，通过控制每个单元的尺寸或者旋转角度可控制其反射的电场相位值，弥补初级馈源照射到阵面上时不同波程差导致的相位差，从而在指定方向上实现波束的聚焦。平面反射阵天线具有结构简单、易加工、低损耗、低成本等特点在某些领域已取代传统相控阵天线。但在实现波束扫描这一难点上，国内外科研机构投入了大量的资源对其进行研究，但并没有显著性的突破。
1995年，J.Huang等人首次提出了采用微机结构来调节辐射贴片的旋转角度以实现阵面相位的变化，实现波束的扫描，但该方法需用机械进行控制，故其波束扫描反应速度慢而笨拙。2006年，M.R.Chaharmir等人提出一种光控电扫描反射阵天线，通过控制各个单元后面对应光源的强弱以控制半导体中的载流子浓度，从而改变单元的反射相位值，但其控制部件加工要求高，介质材料昂贵，相位值不够精准等缺点限制着其应用。
随着半导体技术的快速发展，高性能的变容二极管、MEMS等逐渐被应用与调节反射阵单元设计以实现相位的调节。2010年，L.Boccia等提出矩形贴片单元加载可变电容的方法实现波束扫描，并对单元的相位特性和损耗进行了比较***的分析。但单元相移量不足360度，变容二极管的内阻在高频工作时的高损耗并没有得到有效的解决，使得阵列效率低，波束指向偏离，且每个单元都需要额外的偏置电路对其进行相位的控制，由此加大阵列的复杂度。
2010年，S.R.Rengarajan设计了通过改变初级馈源的位置以实现波束的扫描，但其需要通过机械的方式控制移动馈源的位置，故必然导致稳定性下降，性能无法与电控波束扫描天线相比。
发明内容
本发明的目的是提供一种低成本、低损耗的电控波束扫描反射阵天线。该天线具有结构简单、损耗小且加工制作成本低的特点。本发明可以用于避免传统相控阵中馈电网络带来的损耗，也可降低传统相控阵天线中因昂贵T/R组件所导致的高成本。
本发明具体采用如下技术方案：
一种电控波束扫描反射阵天线，其结构如图1、2所示，主要包括第一馈源103、第二馈源104及反射阵，所述反射阵包括介质层102、位于介质层102下表面的接地金属板105及位于介质层102上表面排布的由多个反射单元101构成的反射阵面；通过控制第一馈源103的激励幅值A1和第二馈源104的激励幅值A2的比值即激励幅值比A1/A2，可改变所述两个馈源形成的总电场到达所述返射阵面上的相位延迟，从而控制所述反射阵面的波束扫描角度；所述多个反射单元的形状一致、尺寸不同，通过调整各个反射单元的尺寸可补偿整个反射阵面的相位延迟，实现所述反射阵面波束的聚焦。
进一步的，所述反射单元的形状可以为矩形、方形、圆形、三角形；相邻反射单元的中心间距为中心频率对应的二分之一波导波长。
本发明还提供一种实现上述电控波束扫描反射阵天线的波束扫描方法，包括以下步骤：
步骤1.将反射阵面的多个反射单元101按行进行分组，每一行均与所述第一馈源103和第二馈源104的中心连线平行，如图2所示；
步骤2.从步骤1划分的多组反射单元中选取一行反射单元记为反射单元组S＝[S1，…，Si，…]，其中Si是该行第i个反射单元，令该行靠近第一馈源103一端的反射单元S1的中心为坐标零点并指向该行另一端的反射单元构建x坐标轴；
步骤3.按以下三种馈电方式分别计算反射单元组S中每个单元的相位值：
(1)第一馈源103对整个反射阵面进行馈电，第二馈源104不馈电；
(2)第二馈源104对整个反射阵面进行馈电，第一馈源103不馈电；
(3)第一馈源103与第二馈源104等幅值激励对整个反射阵面进行馈电；
第i个单元的相位值具体通过以下方程计算：
其中，m1和m2分别为第一馈源103及第二馈源104的激励电平，k为工作频率下的波长数；r1i为第一馈源103到第i个单元的距离；r2i为第二馈源104到第i个单元的距离；
以相位值为y轴，结合步骤2所得x轴构建x-o-y平面；针对上述每一种馈电方式，在所述x-o-y平面上会有一组离散点，将这些离散点拟合可得所述整行反射单元组S的相位分布曲线；由此，可获得所述反射单元组S在三种馈电方式下对应的三条相位分布曲线y1＝f1(x)、y2＝f2(x)、y3＝f3(x)，如图6所示；以第一种馈电方式所得的相位分布方程y1＝f1(x)为基准曲线，对剩余两条曲线做以下处理得两条新的相位变化曲线Δy2、Δy3，如图4所示：Δy2＝f2(x)–f1(x)，Δy3＝f3(x)–f1(x)；方程Δy2及Δy3均为直线，其二者的斜率分别为k2、k3，如图7所示，根据以下公式可求得上述(2)、(3)两种馈电方式下该反射阵天线的波速扫描角度θ2、θ3：
Δy2＝k2sinθ2,Δy3＝k3sinθ3 (2)
由此得该反射阵天线的可扫描角度范围为0～θ2；
步骤4.按步骤3所述方法，除步骤3所述三种馈电方式所对应的第一馈源103与第二馈源104的激励幅值比外，在其他的激励幅值比情况下，即第一馈源103与第二馈源104以不同激励幅值同时对反射阵面馈电时，均可通过上述方法以方程y1＝f1(x)为基准曲线得相位变化曲线Δy，最终获得在当前激励幅值比A1/A2时该反射阵天线的波束扫描角度；
由此，按步骤3所述方法通过离散计算及曲线拟合，可获得该反射阵天线的波束扫描角度θ与第一馈源103、第二馈源104的激励幅值比A1/A2之间的对应关系曲线；
步骤5.针对实际应用中所需要的波束扫描角度θt，通过步骤4所得的对应关系曲线找出其对应的激励幅值比，由此调整第一馈源103与第二馈源104的激励幅值，即可实现所述反射阵天线的指定角度波束扫描。
本发明的有益效果是：
本发明所述的电控波束扫描反射阵天线结构简单，加工方便，可用于微波、毫米波、太赫兹等各个频段。该波束扫描天线无需复杂的馈电网络，从而有效的减少了损耗。该波束扫描天线无需额外的偏置电路及变容二极管等有源器件，有效的提高了其稳定性。该波束扫描天线只需两个初级馈源作为初始源照射平面阵列即可实现高增益的波束扫描，无需额外昂贵的T/R组件，有效降低了其制作成本。
附图说明
图1为本发明中波束扫描阵天线整体示意图；
图2为本发明所述波束扫描阵天线的反射阵俯视示意图；
图3为本发明中波束扫描阵天线前视图；
图4为本发明中实施过程可采用的反射阵单元结构；
图5为本发明中实施过程可采用的反射阵单元结构侧视图；
图6为本发明中阵面上某一行的电场相位随激励幅值的变化曲线；
图7为本发明中不同激励状态的相位变化曲线；
图8为本发明实施例阵列的仿真E面方向图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明技术方案进行详细的说明。
实施例
图1、图2为本发明波束扫描反射阵天线整体示意图，初始的两个馈源103，104对阵面102进行照射，由许多不同尺寸的微带单元101构成平面阵列102以弥补空间相位差，从而实现波束的聚焦。阵面上的相位分布由103，104产生的电场叠加而成，可通过改变馈源103，104的激励幅值比从而改变阵面上的相位分布，从而实现波束的扫描。本次具体实施实例，阵面单元数为3×10。
图3为本发明具体实施实例阵列天线的侧视图，阵面201沿x轴方向的长度DX为120mm，馈源103的位置为x＝48mm，z＝120mm，y＝0mm；馈源104的位置为x＝72mm，z＝120mm，y＝0mm。通过两个馈源的不同激励幅值比组合，可实现从波束204到波束205的扫描。r1i为馈源103到阵面201中第i个单元的距离；r2i为馈源104到阵面201中第i个单元的距离。这两者共同决定着入射总电场在阵面201上的相位分布，其可由下式求得：
其中，m1和m2分别为第一馈源103及第二馈源104的激励电平，k为工作频率下的波长数。
图4、5为具体实施实例中采用的微带反射阵单元结构俯视图及侧视图，其反射单元101单元均为方形，相邻两个反射单元的中心间距均为dx＝dy＝12mm，材料是覆铜的金属；介质层102的介电常数为2.2，厚度为3mm；背面为覆铜的接地金属层105；所述反射单元整体结构简单，加工方便，制作成本低。
图6为具体实施实例中三种不同的激励幅值比状态下，阵面沿x轴方向上的入射电场相位分布。曲线y1为馈源103激励，馈源104不激励下阵面上的总电场相位分布曲线；曲线y2为馈源103及馈源104等幅共同激励下阵面上的总电场相位分布曲线；曲线y3为馈源104激励，馈源103不激励下阵面上的总电场相位分布曲线。随着激励幅值比状态的变化，阵面相位曲线也发生了变化，既可实现波束的扫描。这里选定曲线y1为初始状态，然后通过阵面上不同尺寸的辐射贴片单元进行相应的相位补偿，实现波束在指定方向同相叠加，最后通过改变状态实现波束的扫描。
图7为具体实施实例中以图6中曲线1为基准下，三种状态下分别与之的相对值。从图中可看到他们都具有良好的线性，且分别具有三种不同的斜率，既代表了三种不同的扫描角状态，通过阵列理论公式，其分别为0度，6度，12度。图7更加清晰明了的说明了该方案的可行性。
图8为本实施例阵列天线的仿真方向图，其工作频率为12.5GHz，波束扫描范围为0度到12度，其三种状态下的增益为18.9dBi、18.9dBi、18.9dBi。仿真结果与理论值吻合良好。
Claims (5)
1.一种电控波束扫描反射阵天线，主要包括第一馈源(103)、第二馈源(104)及反射阵，所述反射阵包括介质层(102)、位于介质层(102)下表面的接地金属板(105)及位于介质层(102)上表面排布的由多个反射单元(101)构成的反射阵面，所述多个反射单元(101)的形状一致、尺寸不同，通过调整各个反射单元(101)的尺寸可补偿整个反射阵面的相位延迟，实现所述反射阵面波束的聚焦，其特征在于，通过控制第一馈源(103)的激励幅值A1和第二馈源(104)的激励幅值A2的比值即激励幅值比A1/A2，可改变所述两个馈源形成的总电场到达所述返射阵面上的相位延迟，从而控制所述反射阵面的波束扫描角度。
2.根据权利要求1所述的电控波束扫描反射阵天线，其特征在于，所述反射单元(101)的形状为矩形、圆形、三角形中的一种。
3.根据权利要求1所述的电控波束扫描反射阵天线，其特征在于，所述反射单元(101)的形状为方形，相邻反射单元的中心间距为中心频率对应的二分之一波导波长。
4.根据权利要求3所述的电控波束扫描反射阵天线，其特征在于，所述介质层(102)的介电常数为2.2，厚度为3mm。
5.一种用于权利要求1所述的电控波束扫描反射阵天线的波束扫描方法，包括以下步骤：
步骤1.将反射阵面的多个反射单元(101)按行进行分组，每一行均与所述第一馈源(103)和第二馈源(104)的中心连线平行；
步骤2.从步骤1划分的多组反射单元中选取一行反射单元记为反射单元组S＝[S1，…，Si，…]，其中Si是该行第i个反射单元，令该行靠近第一馈源(103)一端的反射单元S1的中心为坐标零点并指向该行另一端构建x坐标轴；
步骤3.按以下三种馈电方式分别计算反射单元组S中每个单元的相位值：
(1)第一馈源(103)对整个反射阵面进行馈电，第二馈源(104)不馈电；
(2)第二馈源(104)对整个反射阵面进行馈电，第一馈源(103)不馈电；
(3)第一馈源(103)与第二馈源(104)等幅值激励对整个反射阵面进行馈电；
第i个单元的相位值φi具体通过以下方程计算：
其中，m1和m2分别为第一馈源(103)及第二馈源(104)的激励电平，k为工作频率下的波长数；r1i为第一馈源(103)到第i个单元的距离；r2i为第二馈源(104)到第i个单元的距离；
以相位值为y轴，结合步骤2所得x轴构建x-o-y平面；针对每一种馈电方式，在所述x-o-y平面上会有一组离散点，将这些离散点拟合可得所述整行反射单元组S的相位分布曲线；由此，可获得所述反射单元组S在三种馈电方式下对应的三条相位分布曲线y1＝f1(x)、y2＝f2(x)、y3＝f3(x)；以第一种馈电方式所得的相位分布方程y1＝f1(x)为基准曲线，对剩余两条曲线做以下处理得两条新的相位变化曲线Δy2、Δy3：Δy2＝f2(x)–f1(x)，Δy3＝f3(x)–f1(x)；方程Δy2及Δy3均为直线，其二者的斜率分别为k2、k3，根据以下公式可求得上述(2)、(3)两种馈电方式下该反射阵天线的波速扫描角度θ2、θ3：
Δy2＝k2sinθ2,Δy3＝k3sinθ3
由此得该反射阵天线的可扫描角度范围为0～θ2；
步骤4.按步骤3所述方法，除步骤3所述三种馈电方式所对应的第一馈源(103)与第二馈源(104)的激励幅值比外，在其他的激励幅值比情况下，即第一馈源(103)与第二馈源(104)以不同激励幅值同时对反射阵面馈电时，均可通过上述方法以方程y1＝f1(x)为基准曲线得相位变化曲线Δy，最终获得在当前激励幅值比A1/A2时该反射阵天线的波束扫描角度；
由此，按步骤3所述方法通过离散计算及曲线拟合，可获得该反射阵天线的波束扫描角度θ与激励幅值比A1/A2之间的对应关系曲线；
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