CN109346843A - 一种基于抛物线相位分布的空间一维扫描透镜天线及其波束扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于抛物线相位分布的空间一维扫描透镜天线及其波束扫描方法，采用空间耦合馈电和极薄的电磁波透镜，波束扫描通过改变馈源的位置来实现，极大地降低了***复杂度，并提高了设计灵活度。本发明所述抛物线相位分布的透镜天线在波束扫描时，其增益随扫描角度的增加下降缓慢，远优于传统的等光程原理设计的透镜天线；所述波束扫描透镜天线结构简单，加工方便，可用于微波、毫米波、太赫兹等各个频段；无需复杂的有源组件，馈电网络，也避免了复杂的透镜设计，极大地降低了***复杂度，并提高了设计灵活度；制造成本低，功耗低，无需特殊的散热结构，因此成本和复杂度远低于一维相控阵、平面Lunberg透镜和复杂网络一维多波束天线。

Description

一种基于抛物线相位分布的空间一维扫描透镜天线及其波束 扫描方法

技术领域

本发明属于天线技术、无线通信技术和雷达技术领域，具体涉及 一种基于抛物线相位分布的空间一维扫描透镜天线及其波束扫描方 法。

背景技术

现代无线通信***，包括雷达、卫星通信、微波通信以及移动通 信等，均有要求天线具有一维波束扫描和调控能力，采用方案通常有 整体天线一维机械扫描，Butler矩阵馈电网络扫描，Rotman透镜网络 馈电扫描，频率扫描，平面Lunberg透镜扫描和一维相控阵扫描等方 案。目前，使用机械扫描方式应用较多，通过机械结构和控制电路实 现电磁波束扫描和追踪。

Butler矩阵馈电网络扫描天线，Rotman透镜网络馈电扫描天线， 都是通过馈电网络的设计来实现多波束和扫描。

平面Lunberg透镜，在馈源辐射方向的一个圆面上通过渐变介电 常数材料，设计出焦点刚好位于圆弧上的透镜，根据圆的对称性，整 个圆弧都是焦点，并构成焦线。将馈源在焦线上移动或在焦线上放置 多个馈源即可实现波束扫描。

频率扫描天线，一般用行波阵，或馈电网络设计，使得天线阵列 口面的相位分布随频率变化来实现波束扫描。

一维相控阵天线，是利用天线阵下方移相器组件，对每一列天线 单元的相位进行独立控制实现波束扫描。

机械扫描方式虽然应用较多，但是由于其机械结构体积大、响应 不实时，且结构设计复杂，急需替代方案。对于巴特勒矩阵馈电网络， Rotman透镜网络馈电等实现方式，虽然可以实现多波束扫描但是受 馈电网络限制，只能实现离散特定角度的几个波束，并不能实现连续 扫描。同时馈电网络结构复杂***整体复杂度很高。

平面Lunberg透镜方案可实现多波束，或者通过馈源在焦线上的 移动实现波束扫描。但是由于设计原理限制，往往需要在辐射方向设 计面积很大的圆形分布透镜，其厚度往往数倍于波长，限制了改透镜 的应用场景。

频率扫描天线，波束指向角随工作频率的少量改变而有规律地大 范围改变的天线，其造价较低,工作稳定可靠，但主要用于高数据率 三坐标雷达，而且波束侧向辐射时，天线的输入电压驻波比会突然增 大。因此，这种波束扫描方式难以应用于普通通信***。

传统一维相控阵天线中，馈电网络与幅相调控***混合在一起， ***复杂度高，设计限制多，具有效率低、功耗大、结构笨重，且制 造成本高昂等缺点，目前主要应用于军事国防领域。

发明内容

针对上述类型的扫描天线存在的问题，本发明提出一种基于抛物 线相位分布的空间一维扫描透镜天线及其波束扫描方法，采用空间耦 合馈电和极薄的电磁波透镜，波束扫描通过改变馈源的位置来实现， 极大地降低了***复杂度，并提高了设计灵活度。

一种基于抛物线相位分布的空间一维扫描透镜天线及其波束扫 描方法，其特征在于：

所述扫描透镜天线包括馈源天线、金属壁和抛物线相位分布的电 磁透镜，所述馈源天线位于下方，所述电磁透镜位于上方，所述金属 壁连接两者，达到扫描透镜天线整体结构支撑作用；

所述扫描透镜天线包括如下设计步骤：

步骤1.确定馈源天线相位中心到电磁透镜的距离f；

步骤2.计算馈源天线在电磁透镜所处平面的相位分布：

其中r为到电磁透镜中心点的距离，k₀为空间波数，为馈源天 线初始相位；

步骤3.计算馈源天线在电磁透镜所在平面的能量分布来确定平 面电磁透镜的尺寸，以电磁透镜中心为0dB参考点，周边功率下降 到-10dB为截止点来计算平面电磁透镜的范围(-r’,r’)；

根据步骤2计算的相位分布，对其在(-r’,r’)范围内采用抛物线公 式的近似表达式：

然后依据判定条件min[max|Φ_p(r)-Φ(r)|]，r∈(-r',r')来求得抛 物线二次线系数a；

步骤4.对步骤3中得到馈源天线抛物线相位分布进行互补，设 计相位分布为Φ_L(r)＝ar²的电磁透镜结构；

所述波束扫描方法，包括如下步骤：

步骤a.将馈源天线沿着中心轴线平行放置，保证馈源天线在最 下方，并且相位中心位于电磁透镜下方垂直距离f处；

步骤b.由已知的电磁透镜相位分布Φ_L(r)＝ar²，和馈源天线相 位分布得到总的相位分布：

步骤c.运用步骤b的合成方法，将馈源天线平行于电磁透镜平 移距离m，则在电磁透镜平面处其相位分布为：而电磁波穿过电磁透镜后在出射口面处新的合成相位分布如下式所 示：

步骤d.根据合成相位梯度和天线波束指向的关系：

可得到波束扫描角θ_com为：

进一步地，所述电磁透镜由不同形状和尺寸的金属贴片单元构成， 从而实现抛物线相位分布。

进一步地，所述扫描天线的整体相位分布由馈源天线和电磁透镜 相位分布合成决定，通过平移馈源天线可实现电磁波束的扫描。

本发明的有益效果是：

(1)本发明所述抛物线相位分布的透镜天线在波束扫描时，其 增益随扫描角度的增加下降缓慢，远优于传统的等光程原理设计的透 镜天线。

(2)本发明所述波束扫描透镜天线结构简单，加工方便，可用 于微波、毫米波、太赫兹等各个频段。

(3)本发明所述波束扫描透镜天线无需复杂的有源组件，馈电 网络，也避免了复杂的透镜设计，极大地降低了***复杂度，并提高 了设计灵活度。

(4)本发明所述波束扫描透镜天线制造成本低，功耗低，无需 特殊的散热结构，因此成本和复杂度远低于一维相控阵、平面Lunberg 透镜和复杂网络一维多波束天线。

附图说明

图1为本发明中馈源加抛物线相位分布透镜整体示意图。

图2为本发明中抛物线相位分布透镜俯视图。

图3为本发明中相位合成示意图。

图4为本发明相位梯度与扫描俯仰角θ_com关系示意图。

图5为具体实施过程中馈源在透镜表面处的功率分布图。

图6为具体实施过程中馈源实际相位分布和抛物线近似对比图。

图7为具体实施过程中馈源实际相位分布和抛物线近似相位误差 图。

图8为具体实施过程中馈源移动m＝0的近场分布。

图9为具体实施过程中馈源移动m＝0.625f的近场分布。

图10为具体实施过程中馈源移动m＝1.083f的近场分布。

图11为具体实施过程中馈源移动m＝0的归一化方向图。

图12为具体实施过程中馈源移动m＝0.625f的归一化方向图。

图13为具体实施过程中馈源移动m＝1.083f的归一化方向图。

图中，1-电磁透镜，2-金属壁，3-馈源天线。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

一种基于抛物线相位分布的空间一维扫描透镜天线及其波束扫 描方法，所述扫描透镜天线如图1所示。

所述扫描透镜天线包括馈源天线3、金属壁2和抛物线相位分布 的电磁透镜1，所述馈源天线3位于下方，所述电磁透镜1位于上方， 所述金属壁2连接两者，达到扫描透镜天线整体结构支撑作用。

所述电磁透镜1由不同形状和尺寸的金属贴片单元构成，如图2 所示，从而实现抛物线相位分布。

所述扫描透镜天线的整体相位分布由馈源天线3和电磁透镜1相 位分布合成决定，通过平移馈源天线3，就可以改变电磁透镜1和馈 源天线3在整个透镜天线出射口面出的合成相位梯度，从而控制该透 镜天线的波束指向。

所述扫描透镜天线包括如下设计步骤：

步骤1.确定馈源天线3相位中心到电磁透镜1的距离f。

步骤2.计算馈源天线3在电磁透镜1所处平面的相位分布：

其中r为到电磁透镜中心点的距离，k₀为空间波数，为馈源天 线初始相位。

步骤3.计算馈源天线在透镜所在平面的能量分布来确定平面电 磁透镜的尺寸，以电磁透镜中心为0dB参考点，周边功率下降到-10dB 为截止点来计算平面电磁透镜的范围(-r’,r’)。

根据步骤2计算的相位分布，对其在(-r’,r’)范围内采用抛物线公 式的近似表达式：

然后依据判定条件min[max|Φ_p(r)-Φ(r)|]，r∈(-r',r')来求得抛 物线二次线系数a。

步骤4.对步骤3中得到馈源天线抛物线相位分布进行互补，设 计相位分布为Φ_L(r)＝ar²的电磁透镜结构。

所述波束扫描方法，包括如下步骤：

步骤a.将馈源天线沿着中心轴线平行放置，保证馈源天线在最 下方，并且相位中心位于电磁透镜下方垂直距离f处。

步骤b.由已知的电磁透镜相位分布Φ_L(r)＝ar²，和馈源天线相 位分布得到总的相位分布：

步骤c.运用步骤b的合成方法，将馈源天线平行于电磁透镜平 移距离m，则在电磁透镜平面处其相位分布为：而电磁波穿过电磁透镜后在出射口面处新的合成相位分布如下式所 示：

步骤d.根据合成相位梯度和天线波束指向的关系：

可得到波束扫描角θ_com为：

本发明的实例中，馈源天线3处于电磁透镜1焦距处，间距为： f＝20mm，金属壁2间距为d＝20mm，馈源天线3可在电磁透镜1下 方平移，本发明实例中电磁透镜1和馈源天线3的工作中心频率为 30GHz，依据图(5)中-10dB功率分布范围内确定平面电磁透镜1的 尺寸，大约得到D＝100mm，然后以min[max|Φ_p(r)-Φ(r)|]为近似准则， 采用抛物线相位分布得到抛物线二次项系数：相位 分布为：

由图(6)，图(7)可以看出在-10dB能量范围内，相位分布有 小于10度的误差。馈源天线3的位置决定了最终天线口面处合成相 位梯度的大小，相位梯度的大小由下式可得：

其中：

波束扫描角θ_co_m则由合成相位梯度的大小得到： 其中，本案 例中计算得到当m＝0，0.625f，1.083f时θ_com分别为0°，30°， 60°。

图(8)、图(9)、图(10)为具体实施过程中馈源分别在m＝0， 0.625f，1.083f的近场分布图。从图中可看出，随着馈源的位置平移， 透镜天线的近场分布也呈现出不同波束扫描。

图(11)、图(12)、图(13)为本实施例中馈源分别在m＝0，0.625f， 1.083f时的远场归一化方向图，波束扫描俯仰角指向分别为0°、 30°、60°，全波仿真结果与理论相位梯度计算结果吻合良好。

本发明保证馈源天线与电磁透镜的合成相位分布为一次函数，具 体到本发明中的案例，对馈源天线在电磁透镜平面处的相位分布进行 抛物线近似，然后对平面透镜的相位分布也采用抛物线设计，但使其 二次项的常系数与前者互为相反数，从而保证透镜的相位分布与馈源 天线在透镜处的相位分布叠加后为一次函数。这样的设计可使得馈源 平移后，透镜天线出射面的相位对平面空间的梯度值为常数，从而实 现稳定的电磁波束扫描。

总体而言，与传统透镜天线采用等光程原理设计不同，本发明首 次采用了抛物线相位分布设计。传统透镜天线都将馈源近似为球面波， 而本发明将馈源天线的相位在一定空间范围内采用了抛物线近似。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以 上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容 所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于抛物线相位分布的空间一维扫描透镜天线及其波束扫描方法，其特征在于：

所述扫描透镜天线包括馈源天线、金属壁和抛物线相位分布的电磁透镜，所述馈源天线位于下方，所述电磁透镜位于上方，所述金属壁连接两者，达到扫描透镜天线整体结构支撑作用；

所述扫描透镜天线包括如下设计步骤：

步骤1.确定馈源天线相位中心到电磁透镜的距离f；

步骤2.计算馈源天线在电磁透镜所处平面的相位分布：

其中r为到电磁透镜中心点的距离，k₀为空间波数，为馈源天线初始相位；

步骤3.计算馈源天线在电磁透镜所在平面的能量分布来确定平面电磁透镜的尺寸，以电磁透镜中心为0dB参考点，周边功率下降到-10dB为截止点来计算平面电磁透镜的范围(-r’,r’)；

根据步骤2计算的相位分布，对其在(-r’,r’)范围内采用抛物线公式的近似表达式：

r∈(-r',r')

然后依据判定条件min[max|Φ_p(r)-Φ(r)|]，r∈(-r',r')来求得抛物线二次线系数a；

步骤4.对步骤3中得到馈源天线抛物线相位分布进行互补，设计相位分布为Φ_L(r)＝ar²的电磁透镜结构；

所述波束扫描方法，包括如下步骤：

步骤a.将馈源天线沿着中心轴线平行放置，保证馈源天线在最下方，并且相位中心位于电磁透镜下方垂直距离f处；

步骤b.由已知的电磁透镜相位分布Φ_L(r)＝ar²，和馈源天线相位分布得到总的相位分布：

步骤c.运用步骤b的合成方法，将馈源天线平行于电磁透镜平移距离m，则在电磁透镜平面处其相位分布为：而电磁波穿过电磁透镜后在出射口面处新的合成相位分布如下式所示：

步骤d.根据合成相位梯度和天线波束指向的关系：

可得到波束扫描角θ_com为：

2.根据权利要求1所述的一种基于抛物线相位分布的空间一维扫描透镜天线及其波束扫描方法，其特征在于：所述电磁透镜由不同形状和尺寸的金属贴片单元构成，从而实现抛物线相位分布。

3.根据权利要求1所述的一种基于抛物线相位分布的空间一维扫描透镜天线及其波束扫描方法，其特征在于：所述扫描天线的整体相位分布由馈源天线和电磁透镜相位分布合成决定，通过平移馈源天线可实现电磁波束的扫描。