CN110739527B - 一种波束重构方法、天线、微波设备和网络*** - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种波束重构方法、天线、微波设备和网络***，该方法包括：产生射频信号；确定待调整的波束角度；根据所述波束角度分别在液晶超表面阵列中各个液晶超表面阵列单元加载电压偏压值，所述电压偏压值使得所述射频信号透射通过所述液晶超表面阵列后产生馈源的相位中心横向偏焦；其中，所述液晶超表面阵列包括MxN个液晶超表面阵列单元，M，N为大于等于2的正整数；将经过所述液晶超表面阵列透射的射频信号发射出去。本发明实施例实现了一种低成本和低复杂度的波束可重构天线。

Description

一种波束重构方法、天线、微波设备和网络***
技术领域
本申请涉及通信领域，尤其涉及一种波束重构方法、天线、微波设备和网络***。
背景技术
微波回传具有快速部署、安装灵活特点，为移动回传的解决方案之一。随着移动网络和固定网络的发展，常规频段(6-42GHz)的微波回传面临了以下挑战：随着4G网络大量部署以及向5G演进，带宽需求不断增加，例如，宏站需要吉比特每秒(Gbps)级带宽；带宽的增加需要消耗更多的频率资源，导致常规频段(6-42GHz)的频谱资源日趋紧张，频点获取变得非常困难，难以满足带宽需求。为了实现带宽的大幅度提升以及减小对常规频段频谱资源的占用，拥有10GHz频谱资源的E-band(71-76GHz/81-86GHz)微波将成为解决带宽和频谱资源问题的重要途径。
E-band微波可以应用到宏站长距回传(例如，7km以上回传距离)中，然而将E-band微波应用到宏站长距回传中，存在以下问题：长距E-band要求天线具有高增益，高增益的发射天线具有锐波束，锐波束使得天线对晃动敏感(例如，天线安装在铁塔上，天线会对铁塔的晃动敏感)，从而导致接收天线增益下降，影响微波传输距离。
因此，如何设计波束可重构天线，加强天线对抗晃动的能力，成为函待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种波束重构方法、天线、微波设备和网络***，可以解决天线对晃动敏感的问题。
第一方面，本申请提供一种天线，该天线包括馈源、液晶超表面阵列、液晶偏压控制电路和波束变换结构，其中，液晶超表面阵列包括多个液晶超表面阵列单元，例如MxN个，M，N为大于等于2的正整数。馈源可以从微波设备的室外单元或射频模块接收射频信号，并将接收到的射频信号向外辐射。液晶偏压控制电路，用于确定待调整的波束角度，根据所述波束角度分别在所述液晶超表面阵列中各个液晶超表面阵列单元加载电压偏压值。液晶超表面阵列，用于透射所述射频信号，通过所述电压偏压值产生所述馈源的相位中心横向偏焦。所述波束变换结构，用于将经过所述液晶超表面阵列透射的射频信号发射出去。本发明实施例实现了一种低成本和低复杂度的波束可重构天线，可以应用于发送端的微波设备。当波束指向没有对准接收端的天线时，可以通过调节液晶超表面阵列单元的电压偏压值，实现馈源相位中心的可重构以及天线波束可重构，从而实现波束对准。
一种可能的实现方式中，液晶偏压控制电路通过所述加载的电压偏压值，改变所述射频信号透射通过各个液晶超表面阵列单元产生的透射相位。液晶超表面阵列单元的透射相位发生改变，使得馈源的相位中心产生横向偏焦，从而实现天线波束的可重构。
一种可能的实现方式中，液晶偏压控制电路通过所述加载的电压偏压值，改变所述各个液晶超表面阵列单元的介电常数。通过电压偏压改变液晶介电常数，从而改变液晶超表面阵列单元的透射相位。
一种可能的实现方式中，所述液晶偏压控制电路，还用于根据所述待调整的波束角度确定所述馈源的相位中心横向偏焦。根据天线扫描原理，可以得知天线波束的偏角和馈源的相位中心横向偏焦的关系。天线波束的偏角和待调整的波束角度大小相等，方向相反。
一种可能的实现方式中，所述液晶偏压控制电路，还用于根据所述馈源的相位中心横向偏焦分别确定所述各个液晶超表面阵列单元的介电常数。可以预先计算并保存馈源的相位中心横向偏焦和各个液晶超表面阵列单元的介电常数的对应关系，提高波束对准的效率。
一种可能的实现方式中，液晶偏压控制电路，还用于根据所述各个液晶超表面阵列单元的介电常数分别确定所述各个电压偏压值。可以通过工程测试或查表的方式确定液晶介电常数对应的电压偏压值。
一种可能的实现方式中，波束变换结构可以包括主反射面和副反射面，所述馈源和所述液晶超表面阵列位于所述主反射面和所述副反射面之间，所述液晶超表面阵列位于所述馈源和所述副反射面之间。将馈源和液晶超表面阵列放在主反射面和副反射面之间，实现了一种波束可重构的卡塞格伦天线。
一种可能的实现方式中，波束变换结构可以包括透镜，所述液晶超表面阵列位于所述馈源和所述透镜之间。将液晶超表面阵列放在馈源和透镜之间，实现了一种波束可重构透镜天线。
第二方面，本申请提供一种天线，该天线包括馈源、液晶超表面阵列、液晶偏压控制电路和波束变换结构，其中，液晶超表面阵列包括多个液晶超表面阵列单元，例如MxN个，M，N为大于等于2的正整数。波束变换结构接收到发送端发出的，经过空中传播的射频信号。液晶偏压控制电路，用于确定待调整的波束角度，根据所述待调整的波束角度分别在所述液晶超表面阵列中各个液晶超表面阵列单元加载电压偏压值。液晶超表面阵列，用于透射所述射频信号，通过所述电压偏压值产生所述馈源的相位中心横向偏焦。馈源，用于接收经过所述液晶超表面阵列透射的射频信号。本发明实施例实现了一种低成本和低复杂度的波束可重构天线，可以应用于接收端的微波设备。当波束指向没有对准接收端的天线时，可以通过调节液晶超表面阵列单元的电压偏压值，实现馈源相位中心的可重构以及天线波束可重构，从而实现波束对准。
一种可能的实现方式中，液晶偏压控制电路通过所述加载的电压偏压值，改变所述射频信号透射通过各个液晶超表面阵列单元产生的透射相位。液晶超表面阵列单元的透射相位发生改变，使得馈源的相位中心产生横向偏焦，从而实现天线波束的可重构。
一种可能的实现方式中，液晶偏压控制电路通过所述加载的电压偏压值，改变所述各个液晶超表面阵列单元的介电常数。通过电压偏压改变液晶介电常数，从而改变液晶超表面阵列单元的透射相位。
一种可能的实现方式中，所述液晶偏压控制电路，还用于根据所述待调整的波束角度确定所述馈源的相位中心横向偏焦。根据天线扫描原理，可以得知天线波束的偏角和馈源的相位中心横向偏焦的关系。天线波束的偏角和待调整的波束角度大小相等，方向相反。
一种可能的实现方式中，所述液晶偏压控制电路，还用于根据所述馈源的相位中心横向偏焦分别确定所述各个液晶超表面阵列单元的介电常数。可以预先计算并保存馈源的相位中心横向偏焦和各个液晶超表面阵列单元的介电常数的对应关系，提高波束对准的效率。
一种可能的实现方式中，液晶偏压控制电路，还用于根据所述各个液晶超表面阵列单元的介电常数分别确定所述各个电压偏压值。可以通过工程测试或查表的方式确定液晶介电常数对应的电压偏压值。
一种可能的实现方式中，波束变换结构可以包括主反射面和副反射面，所述馈源和所述液晶超表面阵列位于所述主反射面和所述副反射面之间，所述液晶超表面阵列位于所述馈源和所述副反射面之间。将馈源和液晶超表面阵列放在主反射面和副反射面之间，实现了一种波束可重构的卡塞格伦天线。
一种可能的实现方式中，波束变换结构可以包括透镜，所述液晶超表面阵列位于所述馈源和所述透镜之间。将液晶超表面阵列放在馈源和透镜之间，实现了一种波束可重构透镜天线。
第三方面，本申请提供一种波束重构的方法，该方法可以由发送端的天线执行，包括：产生射频信号；确定待调整的波束角度；根据所述波束角度分别在液晶超表面阵列中各个液晶超表面阵列单元加载电压偏压值，所述电压偏压值使得所述射频信号透射通过所述液晶超表面阵列后产生馈源的相位中心横向偏焦；其中，所述液晶超表面阵列包括MxN个液晶超表面阵列单元，M，N为大于等于2的正整数；将经过所述液晶超表面阵列透射的射频信号发射出去。本发明实施例实现了一种低成本和低复杂度的波束可重构方法，可以应用于发送端的微波设备。当波束指向没有对准接收端的天线时，可以通过调节液晶超表面阵列单元的电压偏压值，实现馈源相位中心的可重构以及天线波束可重构，从而实现波束对准。
一种可能的实现方式中，所述方法还包括：通过所述加载的电压偏压值，改变所述射频信号透射通过各个液晶超表面阵列单元产生的透射相位。液晶超表面阵列单元的透射相位发生改变，使得馈源的相位中心产生横向偏焦，从而实现天线波束的可重构。
一种可能的实现方式中，在改变所述透射相位之前，所述方法还包括：通过所述加载的电压偏压值，改变所述各个液晶超表面阵列单元的介电常数。通过电压偏压改变液晶介电常数，从而改变液晶超表面阵列单元的透射相位。
一种可能的实现方式中，所述方法还包括：根据所述待调整的波束角度确定所述馈源的相位中心横向偏焦。根据天线扫描原理，可以得知天线波束的偏角和馈源的相位中心横向偏焦的关系。天线波束的偏角和待调整的波束角度大小相等，方向相反。
一种可能的实现方式中，所述方法还包括：根据所述馈源的相位中心横向偏焦分别确定所述各个液晶超表面阵列单元的介电常数。可以预先计算并保存馈源的相位中心横向偏焦和各个液晶超表面阵列单元的介电常数的对应关系，提高波束对准的效率。
一种可能的实现方式中，所述方法还包括：根据所述各个液晶超表面阵列单元的介电常数分别确定所述各个电压偏压值。可以通过工程测试或查表的方式确定液晶介电常数对应的电压偏压值。
第四方面，本申请提供一种波束重构的方法，该方法可以由接收端的天线执行，包括：接收射频信号；确定待调整的波束角度；根据所述波束角度分别在液晶超表面阵列中各个液晶超表面阵列单元加载电压偏压值，所述电压偏压值使得所述射频信号透射通过所述液晶超表面阵列后产生馈源的相位中心横向偏焦；其中，所述液晶超表面阵列包括MxN个液晶超表面阵列单元，M，N为大于等于2的正整数；接收经过所述液晶超表面阵列透射的射频信号。本发明实施例实现了一种低成本和低复杂度的波束可重构方法，可以应用于接收的微波设备。当波束指向没有对准接收端的天线时，可以通过调节液晶超表面阵列单元的电压偏压值，实现馈源相位中心的可重构以及天线波束可重构，从而实现波束对准。
一种可能的实现方式中，所述方法还包括：通过所述加载的电压偏压值，改变所述射频信号透射通过各个液晶超表面阵列单元产生的透射相位。液晶超表面阵列单元的透射相位发生改变，使得馈源的相位中心产生横向偏焦，从而实现天线波束的可重构。
一种可能的实现方式中，在改变所述透射相位之前，所述方法还包括：通过所述加载的电压偏压值，改变所述各个液晶超表面阵列单元的介电常数。通过电压偏压改变液晶介电常数，从而改变液晶超表面阵列单元的透射相位。
一种可能的实现方式中，所述方法还包括：根据所述待调整的波束角度确定所述馈源的相位中心横向偏焦。根据天线扫描原理，可以得知天线波束的偏角和馈源的相位中心横向偏焦的关系。天线波束的偏角和待调整的波束角度大小相等，方向相反。
一种可能的实现方式中，所述方法还包括：根据所述馈源的相位中心横向偏焦分别确定所述各个液晶超表面阵列单元的介电常数。可以预先计算并保存馈源的相位中心横向偏焦和各个液晶超表面阵列单元的介电常数的对应关系，提高波束对准的效率。
一种可能的实现方式中，所述方法还包括：根据所述各个液晶超表面阵列单元的介电常数分别确定所述各个电压偏压值。可以通过工程测试或查表的方式确定液晶介电常数对应的电压偏压值。
第五方面，本申请提供一种微波设备，所述微波设备包括室内单元、室外单元和天线。所述室内单元，用于将基带数字信号转换为中频模拟信号；所述室外单元，用于接收所述中频模拟信号，将所述中频模拟信号转换为射频信号；所述天线，用于接收所述射频信号，确定待调整的波束角度，根据所述波束角度分别在液晶超表面阵列中各个液晶超表面阵列单元加载电压偏压值，所述电压偏压值使得所述射频信号透射通过所述液晶超表面阵列后产生馈源的相位中心横向偏焦；其中，所述液晶超表面阵列包括MxN个液晶超表面阵列单元，M，N为大于等于2的正整数，将经过所述液晶超表面阵列透射的射频信号发射出去。本发明实施例实现了一种低成本和低复杂度的波束可重构天线，可以应用于发送端的微波设备。当波束指向没有对准接收端的天线时，可以通过调节液晶超表面阵列单元的电压偏压值，实现馈源相位中心的可重构以及天线波束可重构，从而实现波束对准。
一种可能的实现方式中，天线通过所述加载的电压偏压值，改变所述射频信号透射通过各个液晶超表面阵列单元产生的透射相位。液晶超表面阵列单元的透射相位发生改变，使得馈源的相位中心产生横向偏焦，从而实现天线波束的可重构。
一种可能的实现方式中，天线通过所述加载的电压偏压值，改变所述各个液晶超表面阵列单元的介电常数。通过电压偏压改变液晶介电常数，从而改变液晶超表面阵列单元的透射相位。
一种可能的实现方式中，天线还用于根据所述待调整的波束角度确定所述馈源的相位中心横向偏焦。根据天线扫描原理，可以得知天线波束的偏角和馈源的相位中心横向偏焦的关系。天线波束的偏角和待调整的波束角度大小相等，方向相反。
第六方面，本申请提供一种微波设备，所述微波设备包括室内单元、室外单元和天线。所述天线，用于接收所述射频信号，确定待调整的波束角度，根据所述波束角度分别在液晶超表面阵列中各个液晶超表面阵列单元加载电压偏压值，所述电压偏压值使得所述射频信号透射通过所述液晶超表面阵列后产生馈源的相位中心横向偏焦；其中，所述液晶超表面阵列包括MxN个液晶超表面阵列单元，M，N为大于等于2的正整数，将经过所述液晶超表面阵列透射的射频信号发送给室外单元。所述室外单元，用于接收所述射频信号，将所述射频信号转换为中频模拟信号。所述室内单元，用于将中频模拟信号转换为基带信号。本发明实施例实现了一种低成本和低复杂度的波束可重构天线，可以应用于接收端的微波设备。当波束指向没有对准接收端的天线时，可以通过调节液晶超表面阵列单元的电压偏压值，实现馈源相位中心的可重构以及天线波束可重构，从而实现波束对准。
一种可能的实现方式中，天线通过所述加载的电压偏压值，改变所述射频信号透射通过各个液晶超表面阵列单元产生的透射相位。液晶超表面阵列单元的透射相位发生改变，使得馈源的相位中心产生横向偏焦，从而实现天线波束的可重构。
一种可能的实现方式中，天线通过所述加载的电压偏压值，改变所述各个液晶超表面阵列单元的介电常数。通过电压偏压改变液晶介电常数，从而改变液晶超表面阵列单元的透射相位。
一种可能的实现方式中，天线还用于根据所述待调整的波束角度确定所述馈源的相位中心横向偏焦。根据天线扫描原理，可以得知天线波束的偏角和馈源的相位中心横向偏焦的关系。天线波束的偏角和待调整的波束角度大小相等，方向相反。
第七方面，本申请提供一种网络***，所述网络***包括第一微波设备和第二微波设备。所述第一微波设备，用于将基带数字信号转换为中频模拟信号，将所述中频模拟信号转换为射频信号，确定待调整的波束角度，根据所述波束角度分别在液晶超表面阵列中各个液晶超表面阵列单元加载电压偏压值，所述电压偏压值使得所述射频信号透射通过所述液晶超表面阵列后产生馈源的相位中心横向偏焦；其中，所述液晶超表面阵列包括MxN个液晶超表面阵列单元，M，N为大于等于2的正整数，将经过所述液晶超表面阵列透射的射频信号发射给所述第二微波设备。所述第二微波设备，用于接收来自所述第一微波设备的射频信号，并对所述接收到的射频信号进行解调。本发明实施例实现了一种低成本和低复杂度的波束可重构天线，可以应用于发送端的微波设备。当波束指向没有对准接收端的天线时，可以通过调节液晶超表面阵列单元的电压偏压值，实现馈源相位中心的可重构以及天线波束可重构，从而实现波束对准。
一种可能的实现方式中，天线通过所述加载的电压偏压值，改变所述射频信号透射通过各个液晶超表面阵列单元产生的透射相位。液晶超表面阵列单元的透射相位发生改变，使得馈源的相位中心产生横向偏焦，从而实现天线波束的可重构。
第八方面，本申请提供一种网络***，所述网络***包括第一微波设备和第二微波设备。所述第一微波设备，用于将基带数字信号调制成射频信号，将射频信号发射给所述第二微波设备。所述第二微波设备，用于接收来自所述第一微波设备的射频信号，确定待调整的波束角度，根据所述波束角度分别在液晶超表面阵列中各个液晶超表面阵列单元加载电压偏压值，所述电压偏压值使得所述射频信号透射通过所述液晶超表面阵列后产生馈源的相位中心横向偏焦；其中，所述液晶超表面阵列包括MxN个液晶超表面阵列单元，M，N为大于等于2的正整数，将经过液晶超表面阵列透射的射频信号转化为中频模拟信号，并将中频模拟信号转换为基带信号。本发明实施例实现了一种低成本和低复杂度的波束可重构天线，可以应用于接收端的微波设备。当波束指向没有对准接收端的天线时，可以通过调节液晶超表面阵列单元的电压偏压值，实现馈源相位中心的可重构以及天线波束可重构，从而实现波束对准。
一种可能的实现方式中，天线通过所述加载的电压偏压值，改变所述射频信号透射通过各个液晶超表面阵列单元产生的透射相位。液晶超表面阵列单元的透射相位发生改变，使得馈源的相位中心产生横向偏焦，从而实现天线波束的可重构。
本申请的又一方面提供了一种可读存储介质，所述可读存储介质中存储有指令，当其在天线或微波设备上运行时，使得天线或微波设备执行上述各方面所述的方法。
本申请的又一方面提供了一种包含指令的可执行程序产品，当其在天线或微波设备上运行时，使得天线或微波设备执行上述各方面所述的方法。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对描述实施例时所使用的附图作简单的介绍。
图1为本发明实施例提供的一种微波网络架构的示意图；
图2a为本发明实施例提供的一种馈源相位中心初始状态图；
图2b为本发明实施例提供的一种馈源相位中心横向偏焦状态图；
图3为本发明实施例提供的一种馈源相位中心横向偏焦状态下的位置关系图；
图4为液晶超表面阵列示意图；
图5为本发明实施例提供的一种液晶超表面阵列单元的结构参数图；
图6为本发明实施例提供的不同液晶介电常数下，液晶超表面阵列单元的透射相位随频率的变化关系曲线图；
图7为本发明实施例提供的馈源相位中心横向偏焦Δd与各个液晶超表面阵列单元的液晶介电常数对应关系图；
图8为本发明实施例提供的一种天线结构示意图；
图9为本发明实施例提供的一种波束重构的方法的示范性流程图；
图10为本发明实施例提供的一种波束重构的方法的示范性流程图；
图11为本发明实施例提供的一种天线结构示意图；
图12为本发明实施例提供的一种天线结构示意图；
图13为本发明实施例提供的一种微波设备结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
首先介绍本发明实施例一种可能的应用场景。图1为本发明实施例提供的一种微波网络架构的示意图。如图1所示，微波设备101和微波设备102中可以分别装配上本发明实施例提供的波束可重构天线103或104(可以简称天线)，并通过天线103或104进行通信。例如，微波设备101通过天线103产生发送波束105，波束105经过一定距离的空间传输，被微波设备102的天线104接收。这里的波束可以是射频信号(电磁波)形成的。波束可重构天线指的是方向图可重构天线，即波束的最大增益方向或指向可以灵活改变。因此，当发送端和/或接收端的天线晃动的时候，波束不能被接收端的天线对准接收时，波束可重构天线可以调整波束的方向，重新实现对准。
本发明是实施例的天线可以包括馈源、液晶超表面阵列、波束变换结构(如反射面或透镜)等。下面介绍本发明实施例中波束可重构天线的工作原理：馈源发出的波束透射通过液晶超表面阵列，利用液晶超表面阵列的谐振特性，通过电压偏压调控液晶介电常数，改变液晶超表面阵列单元的透射相位，实现馈源相位中心的横向偏焦，从而实现天线波束的可重构。馈源相位中心横向偏焦(或相位中心可重构)即馈源相位中心的横向位置发生改变，例如，相位中心在平行于馈源口径面的平面上移动。下面结合附图对馈源相位中心横向偏焦进行说明。图2a为本发明实施例提供的一种馈源相位中心初始状态图。如图2a所示，馈源201所辐射出的波束在离开馈源一定的距离后，其等相位面202会近似为一个球面，该球面的球心即为该馈源的等效相位中心(或相位中心)。等效相位中心在A点，波束透射通过液晶超表面阵列单元1,2,3,4,5,…,n后产生的总相位分别为
Figure BDA0001735475130000061
Figure BDA0001735475130000062
(
Figure BDA0001735475130000063
为A点到单元n产生的空间相位，
Figure BDA0001735475130000064
为单元n产生的透射相位)。图2b为本发明实施例提供的一种馈源相位中心横向偏焦状态图。改变液晶偏压后，使得液晶超表面阵列单元1,2,3,4,5,…,n的透射相位分别增加
Figure BDA0001735475130000071
此时，等效相位中心在B点，波束透射通过液晶超表面单元1,2,3,4,5,…,n后产生的总相位分别为
Figure BDA0001735475130000072
Figure BDA0001735475130000073
等效相位中心从A点移动到B点后，等相位面从202移动到203，即
Figure BDA0001735475130000074
因此
Figure BDA0001735475130000075
图3为本发明实施例提供的一种馈源相位中心横向偏焦状态下的位置关系图。如图3所示，根据馈源301和液晶超表面阵列302的位置关系，以及馈源相位中心的横向偏焦状态，可以推导出如下关系：
馈源喇叭口径面距离液晶超表面阵列的间距d与液晶超表面阵列的边长L之间满足：
tanθ＝(L/2)/d (1)
其中，θ为馈源照射角半张角。
由
Figure BDA0001735475130000076
可知，空间相位变化等于液晶超表面阵列单元透射相位变化
Figure BDA00017354751300000710
Figure BDA00017354751300000711
其中，Sn为馈源相位中心A到第n个单元的距离；k＝2πf/c为自由空间波数，f为电磁波的工作频率，c为光速；Δd为馈源相位中心的横向偏焦。
选择以下参数作为例子进行定量分析：工作频率为73.5GHz，馈源照射角半张角θ为35度，馈源喇叭口径面与液晶超表面阵列的纵向间距d为6.5mm。根据以上参数并结合公式(2)，可以仿真得到不同的馈源相位中心横向偏焦Δd时，各个液晶超表面阵列单元的透射相位变化
Figure BDA0001735475130000079
液晶介电常数和透射相位的关系、液晶介电常数和相位中心横向偏焦的关系可以通过定量分析仿真获得。图4为液晶超表面阵列示意图。液晶超表面阵列可以为平面结构，也可以为曲面结构。液晶超表面阵列可以包括：液晶层、超表面层、介质层。取以下参数为例进行仿真：
(1)液晶超表面阵列单元横截面尺寸1mm×1mm；
(2)液晶层：材料为液晶，厚度0.1mm，相对介电常数介于为2.6和3.4之间，相对磁导率为1；
(3)超表面层：材料无氧铜，厚度0.01mm，包括多9×9个液晶超表面阵列单元(又称为金属谐振单元)，一个液晶超表面阵列单元的详细参数见图5；
(4)介质层：材料为Rogers RT5880LZ，厚度0.4mm，相对介电常数1.96，相对磁导率为1。
假定液晶超表面阵列单元的初始状态：各个液晶超表面阵列单元的介电常数相等且都为3。按照上述液晶超表面阵列的参数进行仿真，得到不同液晶介电常数下，液晶超表面阵列单元的透射相位随频率的变化关系。图6为本发明实施例提供的不同液晶介电常数下，液晶超表面阵列单元的透射相位随频率的变化关系曲线图。图6的横坐标表示工作频率，纵坐标表示透射相位。图6示出了液晶介电常数为2.6和3.4的两条曲线。选定工作频率为73.5Ghz：液晶介电常数为2.6时，液晶超表面阵列单元的透射相位为118度，液晶介电常数为3.4时，液晶超表面阵列单元的透射相位为66.73度。因此，可以得出，液晶介电常数每增加0.1，透射相位则减少6.4度。
根据仿真分析得到不同馈源相位中心横向偏焦Δd时，各个液晶超表面阵列单元的液晶介电常数。图7为本发明实施例提供的馈源相位中心横向偏焦Δd与各个液晶超表面阵列单元的液晶介电常数对应关系图。图7的横坐标为液晶超表面阵列单元的号码，纵坐标为液晶介电常数。图7示出了Δd为0.1、0.3、0.5时分别对应的9个液晶超表面阵列单元的液晶介电常数。当Δd为0.1、0.3、0.5的某个值时，各个液晶超表面阵列单元的液晶介电常数都不同。
液晶介电常数和液晶电压偏压具有固定的关系。例如，可以结合液晶介电常数和液晶型号，通过实际工程测试得到不同液晶介电常数对应的电压偏压大小。或者，可以结合具体的液晶型号查表获知不同液晶介电常数的对应的液晶电压偏压。
本发明实施例中的液晶超表面阵列可以应用于多种类型的天线中，例如，卡塞格伦天线、反射面天线、透镜天线等。图8为本发明实施例提供的一种天线结构示意图。如图8所示，该天线800为卡塞格伦天线，可以包括馈源801、液晶超表面阵列802和波束变换结构。波束变换结构包括主反射面803、副反射面804。馈源801和液晶超表面阵列802位于主反射面803和副反射面804之间。液晶超表面阵列802包括MxN个液晶超表面阵列单元，M，N为大于等于2的正整数。M、N可以相等或不相等。天线800还可以包括液晶偏压控制电路(图中未示出)，可以包括多个电压控制单元，例如MxN个，则一个电压控制单元可以控制一个液晶超表面阵列单元的电压偏压。
将天线800应用于图1所示的发送端设备时，即天线800作为图1的发送端微波设备101的发射天线103时，可以执行图9所示的方法900进行波束重构。图9为本发明实施例提供的一种波束重构的方法的示范性流程图，可以包括以下步骤：
901：馈源产生射频信号。
馈源的入口用于从微波设备101的室外单元或射频模块接收射频信号，射频信号通过波导管传输到馈源辐射口。馈源辐射口可以是个初级喇叭天线，朝着波束变换结构的副反射面辐射射频信号。射频信号可以为微波信号，即特定频率的电磁波。
902：液晶偏压控制电路确定待调整的波束角度，根据所述波束角度分别在液晶超表面阵列中各个液晶超表面阵列单元加载电压偏压值。
根据天线扫描原理的计算公式，天线波束的偏角和馈源的相位中心横向偏焦的关系可以通过下面的公式表示：
Figure BDA0001735475130000081
其中，F为卡塞格伦天线的等效焦距，D为卡塞格伦天线的口径。
天线波束的偏角α可以通过接收端的微波设备确定，例如，接收端的微波设备在接收天线中，设置了主馈源和次馈源，在主馈源周围放置多个(例如4个)次馈源。当波束对准时，各个次馈源的接收功率相同；波束偏焦时，各个次馈源的接收功率不同。可以根据接收功率的变化可以计算出天线波束的偏角α。接收端的微波设备确定了天线波束的偏角α后，可以将偏角α′通知给接收端的微波设备。
接收端的液晶偏压电路天线波束的偏角α和待调整的波束角度可能是角度值相等，但方向相反的两个角度。可以根据待调整的波束角度或天线波束的偏角α分别确定各个液晶超表面阵列单元的电压偏压值，确定电压偏压值有多种实施方式，以下列举其中三种：
第一种实施方式：首先，由公式(3)可知，根据天线波束的偏角α，可以确定馈源的相位中心横向偏焦Δd。然后，由公式(2)可知，根据Δd，可以确定各个液晶超表面阵列单元的透射相位变化
Figure BDA0001735475130000082
然后，由图6可知，根据
Figure BDA0001735475130000083
确定各个液晶超表面阵列单元的介电常数。最后，通过工程测试或查表，根据液晶超表面阵列单元的介电常数，确定各个液晶超表面阵列单元的电压偏压值。
第二种实施方式：首先，由公式(3)可知，根据天线波束的偏角α，可以确定馈源的相位中心横向偏焦Δd。然后，由图7可知，可以预先计算并保存Δd和各个液晶超表面阵列单元介电常数的对应图或对应关系表。当需要调整波束角度时，根据Δd可以获知各个液晶超表面阵列单元的介电常数。最后，通过工程测试或查表，根据液晶超表面阵列单元的介电常数，确定各个液晶超表面阵列单元的电压偏压值。
第三种实施方式：可以根据第一种实施方式的推算过程，预先计算并保存天线波束的偏角α和各个液晶超表面阵列单元的电压偏压值的对应关系。当需要调整波束角度时，根据α′可以获知各个液晶超表面阵列单元的电压偏压值。最后，通过工程测试或查表，根据液晶超表面阵列单元的介电常数，确定各个液晶超表面阵列单元的电压偏压值。
903：液晶超表面阵列透射所述射频信号，通过所述电压偏压值产生所述馈源的相位中心横向偏焦。
本发明实施例中，馈源发出的射频信号透射通过液晶超表面阵列，通过电压偏压调控液晶介电常数，改变液晶超表面阵列单元的透射相位，实现了馈源相位中心的横向偏焦。在各个液晶超表面阵列单元加载的电压偏压值，可以改变射频信号透射通过各个液晶超表面阵列单元时产生的透射相位。
904：波束变换结构将经过所述液晶超表面阵列透射的射频信号发射出去。
图8的波束变换结构包括主反射面和副发射面。主反射面、副反射面可以反射射频信号，并提供方向增益。经过反射的射频信号具有一定的方向性。馈源产生的射频信号透射通过液晶超表面阵列后，然后经过副反射面反射，经过主反射面反射，最后以一定的方向在空中传播。波束的指向经过调整波束角度之后，能够对准接收端的接收天线。
本发明实施例中，当接收波束指向没有对准接收端的天线时，可以调节发送端天线的液晶超表面阵列单元的电压偏压值，通过电压偏压值产生馈源的相位中心横向偏焦，实现馈源相位中心的可重构以及天线波束可重构，从而实现波束对准。通过上述的方法，本发明实施例实现了一种低成本和低复杂度的波束可重构天线，可以解决天线对晃动敏感的问题。
将天线800应用于图1所示的接收端设备时，即天线800作为图1的接收端微波设备102的接收天线104时，可以执行图10所示的方法1000进行波束重构。图10为本发明实施例提供的一种波束重构的方法的示范性流程图，可以包括以下步骤：
1001：波束变换结构接收射频信号。
图8的波束变换结构包括主反射面和副发射面。主反射面和副反射面将较大面积接收到的射频信号反射并聚焦到馈源辐射口处。射频信号首先被主反射面接收，经过主反射面反射至副发射面，经过副反射面反射后，透射通过液晶超表面阵列，被馈源接收。
1002：液晶偏压控制电路确定待调整的波束角度，根据所述波束角度分别在所述液晶超表面阵列中各个液晶超表面阵列单元加载电压偏压值。
天线波束的偏角α可以通过接收端的微波设备确定，例如通过设置主馈源和次馈源的方式检测偏角α，具体实施方式可以参考步骤902，此处不再赘述。根据待调整的波束角度或天线波束的偏角α分别确定各个液晶超表面阵列单元的电压偏压值可以参考步骤902的实施方式，此处不再赘述。
1003：液晶超表面阵列透射所述射频信号，通过所述电压偏压值产生所述馈源的相位中心横向偏焦。
本发明实施例中，波束变换结构接收的射频信号透射通过液晶超表面阵列，通过电压偏压调控液晶介电常数，改变液晶超表面阵列单元的透射相位，实现了馈源相位中心的横向偏焦。在各个液晶超表面阵列单元加载的电压偏压值，可以改变射频信号透射通过各个液晶超表面阵列单元时产生的透射相位。可选的，射频信号在各个液晶超表面阵列单元产生的透射相位均不同。
1004：馈源接收将经过所述液晶超表面阵列透射的射频信号。
馈源接收到的射频信号可以发送给微波设备102的室外单元或射频模块。波束的指向经过调整波束角度之后，能够对准接收端的接收天线。
本发明实施例中，当接收波束指向没有对准接收端的天线时，可以调节接收端天线的液晶超表面阵列单元的电压偏压值，通过电压偏压值产生馈源的相位中心横向偏焦，实现馈源相位中心的可重构以及天线波束可重构，从而实现波束对准。通过上述的方法，本发明实施例实现了一种低成本和低复杂度的波束可重构天线，可以解决天线对晃动敏感的问题。
图11为本发明实施例提供的一种天线结构示意图。如图11所示，该天线1100为单反射面天线(例如，抛物面天线)，可以包括馈源1101、液晶超表面阵列1102、反射面1103。液晶超表面阵列1102位于馈源1101和反射面1103之间。其中，液晶超表面阵列包括MxN个液晶超表面阵列单元，M，N为大于等于2的正整数。天线1100还可以包括液晶偏压控制电路(图中未示出)，可以包括多个电压控制单元，例如MxN个，则一个电压控制单元可以控制一个液晶超表面阵列单元的电压偏压。图11所示的天线可以作为波束可重构天线，波束重构的原理和图8所示的天线类似：调节天线的液晶超表面阵列单元的电压偏压，通过电压偏压值产生馈源的相位中心横向偏焦，实现馈源相位中心的可重构以及天线波束可重构，从而实现波束对准。图11所示的天线可以执行图9或图10所示的方法，此处不再赘述。通过上述的方法，本发明实施例实现了一种低成本和低复杂度的波束可重构天线，可以解决天线对晃动敏感的问题。
图12为本发明实施例提供的一种天线结构示意图。如图12所示，该天线1200为透镜天线，可以包括馈源1201、液晶超表面阵列1202、透镜1203。液晶超表面阵列1202位于馈源1201和透镜1203之间。其中，液晶超表面阵列包括MxN个液晶超表面阵列单元，M，N为大于等于2的正整数。天线1200还可以包括液晶偏压控制电路(图中未示出)，可以包括多个电压控制单元，例如MxN个，则一个电压控制单元可以控制一个液晶超表面阵列单元的电压偏压。图12所示的天线可以作为波束可重构天线，波束重构的原理和图8所示的天线类似：调节天线的液晶超表面阵列单元的电压偏压，通过电压偏压值产生馈源的相位中心横向偏焦，实现馈源相位中心的可重构以及天线波束可重构，从而实现波束对准。图12所示的天线可以执行图9或图10所示的方法，此处不再赘述。通过上述的方法，本发明实施例实现了一种低成本和低复杂度的波束可重构天线，可以解决天线对晃动敏感的问题。
图13为本发明实施例提供的一种微波设备结构示意图。如图13所示，微波设备1300可以包括室外单元(outdoor unit，ODU)1301、室内单元(indoor unit，IDU)1302、天线1303和中频电缆1304。ODU 1301和IDU 1302之间可以通过中频电缆1304相连，ODU和天线之间可以通过馈电波导相连。
ODU 1301可以包括中频模块、发送模块、接收模块、复用器、双工器等。ODU 1301主要提供中频模拟信号和射频信号的相互转换功能。在发送方向，ODU 1301将来自IDU 1302的中频模拟信号经过上变频和放大，转换成特定频率的射频信号，并向天线1303发送。在接收方向，ODU 1301将从天线1303接收的射频信号经过下变频和放大，转换成中频模拟信号，并向IDU 1302发送。
IDU 1302可以包括主控交换时钟板、中频板、业务板等单板类型，可以提供吉比特以太(Gigabit Ethernet，GE)业务、同步传输模式-1(synchronous transfer module-1，STM-1)业务和E1业务等多种业务接口。IDU 1302主要提供业务信号基带处理、基带信号和中频模拟信号的相互转换功能。在发送方向，IDU 1302把基带数字信号调制成中频模拟信号。在接收方向，IDU 1302将接收到的中频模拟信号进行解调和数字化处理，分解成基带数字信号。
天线1303可以为本发明实施例中图8、图11、图12所示的任意一种天线。天线1303主要提供射频信号的定向收发功能，实现ODU 1301产生或接收的射频信号与大气空间的射频信号之间的转换。发送方向上，天线1303将ODU 1301输出的射频信号转换为具有方向性的射频信号，向空间辐射。接收方向上，天线1303接收空间的射频信号，将射频信号进行聚焦，传送给ODU 1301。本发明实施例提供的波束重构方法，可以应用于发送方向上的天线，也可以应用于接收方向上的天线。例如，发送方向上，天线1303从ODU 1301接收到射频信号，确定待调整的波束角度，根据波束角度分别改变液晶超表面阵列中各个液晶超表面阵列单元的电压偏压值；所述电压偏压值使得所述射频信号透射通过所述液晶超表面阵列后产生馈源的相位中心横向偏焦；将经过液晶超表面阵列透射的射频信号发射出去。接收方向上，天线1303接收空间辐射的射频信号，确定待调整的波束角度，根据所述待调整的波束角度分别在所述液晶超表面阵列中各个液晶超表面阵列单元加载电压偏压值；所述电压偏压值使得所述射频信号透射通过所述液晶超表面阵列后产生馈源的相位中心横向偏焦；接收经过液晶超表面阵列透射的射频信号。
微波设备1300可以为分体式微波设备，即IDU 1302放置于室内，ODU 1301和天线1303装配在一起，并放置于室外。微波设备1300也可以为全室外微波设备，即ODU 1301、IDU1302和天线1303都放置于室外。微波设备1300也可以为全室内微波设备，即ODU 1301和IDU1302放置于室内，天线1303放置于室外。ODU 1301也可以称为射频模块，IDU 1302也可以称为基带。
将本发明实施提供的波束可重构天线应用于微波设备中，可以提高设备对抗晃动的能力，降低设备的复杂度和成本。
在上述实施例中，可以部分通过软件、部分通过硬件来实现，或者全部通过硬件来实现。一个例子中，在步骤902或步骤1002中，液晶偏压控制电路上可以加载程序代码，用于计算电压偏压值，液晶偏压控制电路上的硬件电路根据计算的结果加载或调整电压偏压值。另一个例子中，液晶偏压控制电路上的存储元件可以保存天线波束的偏角α和各个液晶超表面阵列单元的电压偏压值的对应关系表，液晶偏压控制电路上的硬件电路根据查表的结果加载或调整电压偏压值。另一个例子中，计算电压偏压值或者对应关系表的保存还可以在其他模块实现，比如，在微波设备的室外单元中实现，室外单元将计算或查表得到的电压偏压值通知给液晶偏压控制电路。本发明实施例的程序代码可以通过硬件描述语言实现，例如Veri log语言。程序代码可以加载在可编程逻辑器件中，例如现场可编程门阵列(programmable gate array，FPGA)、复杂可编程逻辑器件(CPLD，complex programmablelogic device)。当这些程序代码在可编程逻辑器件中运行时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (15)

1.一种天线，其特征在于，所述天线包括馈源、液晶超表面阵列、液晶偏压控制电路和波束变换结构，其中，所述液晶超表面阵列包括MxN个液晶超表面阵列单元，M，N为大于等于2的正整数；
所述馈源，用于产生射频信号；
所述液晶偏压控制电路，用于确定待调整的波束角度，根据所述波束角度分别在所述液晶超表面阵列中各个液晶超表面阵列单元加载电压偏压值，具体包括：所述液晶偏压控制电路根据所述待调整的波束角度或天线波束的偏角确定所述馈源包括的多个相位中心中各个所述相位中心横向偏焦，以及依据所述各个相位中心横向偏焦确定各个所述液晶超表面阵列单元的介电常数，再根据各个所述介电常数确定各个所述液晶超表面阵列单元的所述电压偏压值，其中，所述天线波束的偏角和所述待调整的波束角度的角度值相等且方向相反，所述液晶偏压控制电路包括多个电压控制单元，一个所述电压控制单元用于在所述液晶超表面阵列中一个液晶超表面阵列单元加载电压偏压值；
所述液晶超表面阵列，用于透射所述射频信号，通过所述电压偏压值产生所述馈源的相位中心横向偏焦；
所述波束变换结构，用于将经过所述液晶超表面阵列透射的射频信号发射出去。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述液晶偏压控制电路，用于通过所述加载的电压偏压值，改变所述射频信号透射通过各个液晶超表面阵列单元产生的透射相位。
3.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，所述液晶偏压控制电路，用于在改变所述透射相位之前，通过所述加载的电压偏压值，改变所述各个液晶超表面阵列单元的介电常数。
4.根据权利要求1－3任一所述的天线，其特征在于，所述波束变换结构包括主反射面和副反射面，所述馈源和所述液晶超表面阵列位于所述主反射面和所述副反射面之间，所述液晶超表面阵列位于所述馈源和所述副反射面之间。
5.根据权利要求1－3任一所述的天线，其特征在于，所述波束变换结构包括透镜，所述液晶超表面阵列位于所述馈源和所述透镜之间。
6.一种波束重构的方法，其特征在于，所述方法包括：
产生射频信号；
确定待调整的波束角度；
根据所述波束角度分别在液晶超表面阵列中各个液晶超表面阵列单元加载电压偏压值，所述电压偏压值使得所述射频信号透射通过所述液晶超表面阵列后产生馈源的相位中心横向偏焦；其中，所述液晶超表面阵列包括MxN个液晶超表面阵列单元，M，N为大于等于2的正整数，根据所述波束角度分别在各个所述液晶超表面阵列单元获得所述电压偏压值具体包括：根据所述待调整的波束角度或天线波束的偏角确定所述馈源包括的多个相位中心中各个所述相位中心横向偏焦，以及依据所述各个相位中心横向偏焦确定各个所述液晶超表面阵列单元的介电常数，再根据各个所述介电常数确定各个所述液晶超表面阵列单元的所述电压偏压值，其中，所述天线波束的偏角和所述待调整的波束角度的角度值相等且方向相反；
将经过所述液晶超表面阵列透射的射频信号发射出去。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
通过所述加载的电压偏压值，改变所述射频信号透射通过各个液晶超表面阵列单元产生的透射相位。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在改变所述透射相位之前，所述方法还包括：
通过所述加载的电压偏压值，改变所述各个液晶超表面阵列单元的介电常数。
9.根据权利要求6－8任意一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据所述馈源的相位中心横向偏焦分别确定所述各个液晶超表面阵列单元的介电常数。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据所述各个液晶超表面阵列单元的介电常数分别确定所述各个电压偏压值。
11.一种微波设备，其特征在于，所述微波设备包括室内单元、室外单元和天线，
所述室内单元，用于将基带数字信号转换为中频模拟信号；
所述室外单元，用于接收所述中频模拟信号，将所述中频模拟信号转换为射频信号；
所述天线，用于接收所述射频信号，确定待调整的波束角度，根据所述波束角度分别在液晶超表面阵列中各个液晶超表面阵列单元加载电压偏压值，所述电压偏压值使得所述射频信号透射通过所述液晶超表面阵列后产生馈源的相位中心横向偏焦；其中，所述液晶超表面阵列包括MxN个液晶超表面阵列单元，M，N为大于等于2的正整数，将经过所述液晶超表面阵列透射的射频信号发射出去，所述天线还用于根据所述待调整的波束角度或天线波束的偏角确定所述馈源包括的多个相位中心中各个所述相位中心横向偏焦，以及依据所述各个相位中心横向偏焦确定各个所述液晶超表面阵列单元的介电常数，再根据各个所述介电常数确定各个所述液晶超表面阵列单元的所述电压偏压值，其中，所述天线波束的偏角和所述待调整的波束角度的角度值相等且方向相反。
12.根据权利要求11所述的微波设备，其特征在于，所述天线，用于通过所述加载的电压偏压值，改变所述射频信号透射通过各个液晶超表面阵列单元产生的透射相位。
13.根据权利要求12所述的微波设备，其特征在于，所述天线，用于在改变所述透射相位之前，通过所述加载的电压偏压值，改变所述各个液晶超表面阵列单元的介电常数。
14.一种网络***，其特征在于，所述网络***包括第一微波设备和第二微波设备，
所述第一微波设备，用于将基带数字信号转换为中频模拟信号，将所述中频模拟信号转换为射频信号，确定待调整的波束角度，根据所述波束角度分别在液晶超表面阵列中各个液晶超表面阵列单元加载电压偏压值，所述电压偏压值使得所述射频信号透射通过所述液晶超表面阵列后产生馈源的相位中心横向偏焦；其中，所述液晶超表面阵列包括MxN个液晶超表面阵列单元，M，N为大于等于2的正整数，将经过所述液晶超表面阵列透射的射频信号发射给所述第二微波设备，所述第一微波设备还用于根据所述待调整的波束角度或天线波束的偏角确定所述馈源包括的多个相位中心中各个所述相位中心横向偏焦，以及依据所述各个相位中心横向偏焦确定各个所述液晶超表面阵列单元的介电常数，再根据各个所述介电常数确定各个所述液晶超表面阵列单元的所述电压偏压值，其中，所述天线波束的偏角和所述待调整的波束角度的角度值相等且方向相反；
所述第二微波设备，用于接收来自所述第一微波设备的射频信号，并对所述接收到的射频信号进行解调。
15.根据权利要求14所述网络***，其特征在于，所述第一微波设备，用于通过所述加载的电压偏压值，改变所述射频信号透射通过各个液晶超表面阵列单元产生的透射相位。
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