CN111541036B - 基于径向波导的阵列天线孔径场 - Google Patents

基于径向波导的阵列天线孔径场 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于径向波导的阵列天线孔径场设计及波束调控方法，阵列天线包括圆形且相互平行的径向波导顶层金属板和径向波导底层金属板，径向波导顶层金属板上设有多个均匀分布的环形天线阵列，每个天线的耦合探针位于径向波导顶层金属板上朝向径向波导底层金属板的一侧；径向波导底层金属板朝向径向波导顶层金属板的一侧设有馈电探针，馈电探针设置在径向波导底层金属板的中心位置。本发明可以通过适当调节波导内探针尺寸合成特定天线单元的激励幅度，同时通过调节探针和天线单元之间的传输线长度或者移相器，可以有效合成激励相位。可以根据特定的近场/远场波束计算得出天线单元激励系数，能够在射频频段生成近场或者远场特定波束。

Description

基于径向波导的阵列天线孔径场
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种基于径向波导的阵列天线孔径场设计及波束调控方法。
背景技术
由于具有低剖面和低损耗特性，基于径向波导结构的天线阵列广泛应用于卫星通信***，并且适合于工作频段较高(比如5G，毫米波频段)，对增益和效率有较高要求的设计工作。
传统径向波导由两块平行金属圆板和位于底板圆心处的馈源组成。当两块平行金属圆板距离小于半波长时，波导内能够激励出TEM径向模，即可以生成沿径向方向传播的圆柱波。
最常见的基于径向波导结构的天线是径向线缝隙阵列天线(RLSA)(Ando,Makoto,et al. "A radial line slot antenna for 12GHz satellite TV reception."IEEEtransactions on antennas and propagation 33.12(1985):1347-1353)，其中，径向波导结构作为缝隙阵列天线的馈电网络。但是，因为缝隙单元只能耦合少量能量，因此该阵列天线需要大量缝隙单元实现低回拨损耗和高效率，这导致对缝隙单元尺寸和位置的优化过程非常耗时。此外，由于不能预先知道每个缝隙单元的位置，因此本发明中预先假定天线单元位置进而计算出各单元幅度/相位分布的方法不适用于这种缝隙阵列天线的设计工作，并且根据连续孔径分布来优化缝隙阵列天线的辐射方向图，极大地限制了这种设计方法的使用范围。
其它基于径向波导的阵列天线结构可以有效解决上述问题。例如，在“Carver,K.R."A cavity-fed concentric ring phased array of helices for use in radioastronomy",Diss.Ph.D., University of Ohio,1967”一文中，通过使用径向波导内部的垂直探针(与低剖面螺旋天线单元连接)完成能量耦合过程。其中，通过自旋每个天线单元来实现特定激励相位，通过调节波导内部探针长度来实现特定耦合因子。除此之外，“Haneishi,M.,and S.Saito. "Radiation properties of microstrip array antennafed by radial line."Antennas and Propagation Society Symposium1991Digest.IEEE,1991”一文中使用其它天线单元结构(比如微带贴片天线)成功设计出该类型阵列天线。但是，对于该类型阵列天线，波导内部的探针位置及其相互耦合效应对激励相位有极大影响，此外，相位合成过程也较为繁杂。
“Masa-Campos,J.L.,and M.Sierra-Pérez."Linearly polarized radial linepatch antenna with internal rectangular coupling patches."IEEE Transactionson Antennas and Propagation 59.8 (2011):3049-3052.”中提出了一种不同的耦合机制，通过位于波导内部的水平贴片耦合单元进行能量耦合，这样可以简化天线装配过程，并且实现较好的辐射性能，最终设计出同心圆环阵列天线，实现了均匀激励幅度分布，但是相邻圆环之间的距离为3/4λ(这样可以有效减小圆环与圆环之间耦合单元的反射波影响)，这限制了径向波导的使用范围。除此之外，水平贴片耦合单元的介质厚度与耦合因子大小成正比，因此对于耦合因子较大的情况，需要增加水平贴片耦合单元介质厚度，这将增大径向波导内的回波损耗。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可以通过适当调节波导内探针尺寸合成特定天线单元的激励幅度，同时通过调节探针和天线单元之间的传输线长度或者移相器，可以有效合成激励相位。另外，可以根据特定的近场/远场波束计算得出天线单元激励系数，能够在射频频段生成近场或者远场特定波束的基于径向波导的阵列天线孔径场设计及波束调控方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：基于径向波导的阵列天线孔径场设计方法，包括圆形且相互平行的径向波导顶层金属板和径向波导底层金属板，径向波导顶层金属板上设有多个均匀分布的环形天线阵列，每个天线的耦合探针位于径向波导顶层金属板上朝向径向波导底层金属板的一侧；径向波导底层金属板朝向径向波导顶层金属板的一侧设有馈电探针，馈电探针设置在径向波导底层金属板的中心位置。
进一步地，所述径向波导底层金属板边缘朝向径向波导顶层金属板的方向设有环形金属墙。
进一步地，所述径向波导顶层金属板上设有多个同心的环形天线阵列，每个环形天线阵列中的天线均匀分布；
各耦合单元的耦合因子计算方法为：假设第k个圆环包含Nk个天线，并且耦合到每个天线单元的功率值均为prad,k；
则耦合到第k个圆环所有天线单元的总功率为Prad,k＝Nk×prad,k；第k+1个圆环的总输入功率为：
Pin,k+1＝Pin,k-Prad,k＝Pin,k-Nkprad,k
Pin,k为第k个圆环所有单元的总输入功率；
假设总输入功率Pin，1全部耦合给天线单元；系数prad，k指特定单元功率值，用
Figure BDA0002501603240000021
代替； Q代表总圆环数量；则第k个耦合单元的耦合因子通过下式计算得出：
Figure BDA0002501603240000031
第k个圆环总的耦合因子通过Ck＝Nkck的方法计算得到。
进一步地，所述耦合探针采用垂直印刷贴片单元制成。
本发明还提供一种基于径向波导的阵列天线波束调控方法，在馈电幅度保持不变的情况下，对馈电相位进行调制，得到具有不同焦点位置的聚焦波束，其中馈电相位调制通过天线单元输入端和馈电网络输出端口之间的移相器来实现。
本发明的有益效果是：本发明馈电网络以径向波导结构为基础构成，馈电探针位于波导底板圆心位置，许多按同心圆环分布的金属探针通过波导顶板与天线单元连接。本发明可以通过适当调节波导内探针尺寸合成特定天线单元的激励幅度，同时通过调节探针和天线单元之间的传输线长度或者移相器，可以有效合成激励相位。另外，可以根据特定的近场/远场波束计算得出天线单元激励系数，能够在射频频段生成近场或者远场特定波束。
附图说明
图1为本发明的基于径向波导的阵列天线的结构示意图；
图2为本发明的级联功分器示意图；
图3为本发明的垂直印刷贴片耦合单元结构示意图；
图4为基于径向波导结构的均匀圆形阵列天线的侧视图，俯视图以及分层结构示意图；
图5(a)为天线结构示意图，(b)和(c)为微带传输线、耦合探针单元以及双层圆形贴片天线单元结构示意图。
图6为等效模型示意图以及耦合单元侧视图；
图7(a)为焦点位置分别为zf＝1.5m,2m,2.5m时对应的归一化电场能量密度随传播距离变化曲线图，(b)为焦点位置为1.5m时，z＝1.5m处的横向归一化电场能量密度分布图，(c) 为焦点位置为2m时，z＝2m处的横向归一化电场能量密度分布图，(d)为焦点位置为2.5m 时，z＝2.5m处的横向归一化电场能量密度分布图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
如图1所示，本发明的基于径向波导的阵列天线孔径场设计方法，包括圆形且相互平行的径向波导顶层金属板和径向波导底层金属板，径向波导顶层金属板上设有多个均匀分布的环形天线阵列，每个天线的耦合探针位于径向波导顶层金属板上朝向径向波导底层金属板的一侧；径向波导底层金属板朝向径向波导顶层金属板的一侧设有馈电探针(馈电探针高度为hp，作为馈源)，馈电探针设置在径向波导底层金属板的中心位置。当波导高度小于半波长(对应于工作频率)时，可以激励出低损耗TEM模，进而在波导内生成沿径向向外传播的电磁波。此外，由于径向波导具有圆对称特性，所以能够极大简化均匀圆形阵列天线的设计工作。
进一步地，所述径向波导底层金属板边缘朝向径向波导顶层金属板的方向设有环形金属墙，环形金属墙的高度为h。
进一步地，所述径向波导顶层金属板上设有多个同心的环形天线阵列，每个环形天线阵列中的天线均匀分布；可以将径向波导结构作为级联功率分配器，将耦合探针单元作为基于径向波导的阵列天线的耦合单元；耦合单元决定了馈入天线单元能量值和波导中传输能量值。
图2中给出级联功分器示意图，各耦合单元的耦合因子计算方法为：假设第k个圆环包含Nk个天线，并且耦合到每个天线单元的功率值均为prad,k；
则耦合到第k个圆环所有天线单元的总功率为Prad,k＝Nk×prad,k；第k+1个圆环的总输入功率为：
Pin,k+1＝Pin,k-Prad,k＝Pin,k-Nkprad,k
Pin,k为第k个圆环所有单元的总输入功率；
假设总输入功率Pin,1全部耦合给天线单元；系数prad,k指特定单元功率值，用
Figure BDA0002501603240000041
代替； Q代表总圆环数量；则第k个耦合单元的耦合因子通过下式计算得出：
Figure BDA0002501603240000042
第k个圆环总的耦合因子通过Ck＝Nkck的方法计算得到。
进一步地，所述耦合探针采用垂直印刷贴片单元制成，如图3所示。
本实施例中，预先设置具有6个同心圆环的均匀圆形阵列天线(从内到外每个圆环包含的单元数量依次为：8，16，32，32，32，64)，另外，圆环之间的径向距离从内到外依次为λ,λ,λ,3/4λ,3/4λ,3/4λ(λ＝51.7mm，对应于工作频率为5.8GHz时的自由空间波长)，如图4所示。表一为根据均匀圆形阵列天线的两种幅度分布情况(即均匀幅度分布和切比雪夫幅度分布)计算出相应的耦合因子。可以看到幅度分布对耦合因子有很大影响，切比雪夫幅度分布对应的耦合因子明显大于均匀幅度分布对应的耦合因子。一些耦合单元由于结构限制不能合成较大耦合因子，因此不适用于特定幅度分布。图3所示，垂直印刷耦合探针通过优化可以实现切比雪夫幅度分布和均匀幅度分布对应的耦合因子值，并且得到回波损耗-12.3dB。因此耦合探针结构能够合成目标耦合因子值，并且对波导内场分布影响很小，所以适合于具有切比雪夫幅度分布的阵列设计工作。
表一不同激励幅度分布时对应的耦合因子值
圆环顺序数k 1 2 3 4 5 6
均匀分布 0.0432 0.0912 0.2016 0.2496 0.3328 1
切比雪夫分布 0.0464 0.3152 0.4992 0.3616 0.3328 1
根据表一可以知道，最外面一个圆环对应的总耦合因子值都是1。这是因为本实施例中假设最外面一个圆环的输入总能量全部耦合至均匀圆形阵列天线并且被全部辐射。本发明中，最外面一个圆环对应耦合单元类似于径向波导—微带线转换器，通过改变耦合探针长度及其与环形金属墙的距离可以实现这一功能。
因为基于径向波导结构的均匀圆形阵列天线可以合成不同的激励幅度分布，所以能够生成近场或者远场辐射方向图。本发明中，设计的均匀圆形阵列天线，能够合成工作于菲涅尔区域的可调控聚焦波束，图4给出了阵列天线的结构示意图。
本实施例中预先设置单元之间距离和相邻圆环之间距离，使其满足奈奎斯特采样率，同时减小单元之间的耦合影响，从而合成目标波束方向图。需要特别说明的是，由于存在相移单元(微带传输线或者移相器)，位于顶层的天线单元与对应耦合单元需要空出一段距离。基于此，如图4所示，本发明中设置天线单元相对于耦合单元平移距离为xf＝15mm。
本实施例中每个天线单元激励幅度和相位分布，以及其对应的耦合因子值如表二所示。对于聚焦波束合成，激励相位分布起决定作用，激励幅度分布主要用于降低副瓣水平。该结构可以保持激励幅度分布(比如切比雪夫分布，焦点距离为zf)不变，但是激励相位分布通过位于均匀天线阵列层的移相器进行合成(表二给出了焦点距离分别为1.5m,2m以及2.5m时对应的激励相位分布；该结构也可以合成其它激励相位分布，并使得焦点位置偏离宽边方向)。
表二本实施例中均匀圆形阵列天线采用切比雪夫分布生成聚焦波束时对应的激励幅度和相位分布，以及相应的耦合因子值
Figure BDA0002501603240000051
Figure BDA0002501603240000061
如图4和图5示，采用传统双层圆形贴片天线(圆形底层贴片天线层与相移微带传输线位于同一层，并且使用厚度为h1＝0.508mm的Rogers RO4350B作为介质材料，圆形寄生贴片天线层采用厚度h2＝0.4mm的FR4作为介质材料)作为均匀圆形阵列天线辐射单元。
并且设置天线阻抗Zant＝50Ω。另外，使用Ansys HFSS软件进行仿真优化(优化结果为：ra1＝7.6mm,ra2＝9.25mm,hair＝2.85mm)。
如图4所示，基于整个阵列天线，仿真出焦点位置分别为1.5m,2m以及2.5m时的情况(移相器由等效电路组成)，并且三种情况在5.8GHz时回波损耗值均小于-20dB。此外，图7中给出了沿传播方向z轴的归一化电场能量密度(x＝y＝0)曲线，并且还绘出了z＝zf 时在xy平面的二维归一化电场能量密度分布图，可以看到最大归一化能量密度值对应的传播距离与焦点距离同时增加(焦点距离与最大归一化电场能量密度对应的距离不一致，这是因为电磁波的散射特性所致)。
为了简化设计过程，使用如图6中的等效模型进行耦合单元的设计工作。通过对图6 中耦合单元进行优化，可以得到表二中给出的耦合因子值。通过仿真知道耦合因子变大(对应第2至第5个圆环的耦合单元)，对应的回波损耗会增加，这极大影响了激励幅度和相位合成准确性，并且增大了天线阵列输入端口的回拨损耗。基于此，在第2-5个圆环对应的耦合单元位置之前对称放置如图5(a)所示的金属圆柱结构，金属圆柱对称的设置在每个耦合探针的两侧，用于减小单个圆环的回波损耗，进而减小径向波导内回波损耗，从而减小输入端口回波损耗。增加金属圆柱结构后，首先使用等效模型进行仿真优化，实现目标结果后再使用径向波导模型验证仿真对应的单独圆环结构(由于金属圆柱与耦合单元距离在等效模型中较小，因此验证仿真结果与等效模型仿真结果会有细微差异，但是在可接收范围内)。
如上所述，通过在径向波导输出端口引入移相器，可以合成目标激励相位，并且连接相应的天线单元(例如Analog Devices AD HMC1133LP5E GaAs MMIC 6位数字移相器，工作于4.8-6.2GHz)。对于特定焦点距离，可以通过使用微带传输线补偿径向波导输出相位来合成目标激励相位。本实施例中，设置最后一个圆环对应单元的激励相位为参考相位，其它圆环对应的微带传输线采用如图4所示结构合成表二中的目标激励相位。
本发明还提供一种基于径向波导的阵列天线波束调控方法，通过天线单元馈电点和馈电网络输出端口之间的移相器来实现天线单元相位激励分布，并且通过改变激励相位分布来控制波束方向图：即在馈电幅度保持不变的情况下，对馈电相位进行调制，得到具有不同焦点位置的聚焦波束，其中馈电相位调制通过天线单元输入端和馈电网络输出端口之间的移相器来实现。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.基于径向波导的阵列天线孔径场，其特征在于，包括圆形且相互平行的径向波导顶层金属板和径向波导底层金属板，径向波导顶层金属板上设有多个均匀分布的环形天线阵列，每个天线的耦合探针位于径向波导顶层金属板上朝向径向波导底层金属板的一侧；径向波导底层金属板朝向径向波导顶层金属板的一侧设有馈电探针，馈电探针设置在径向波导底层金属板的中心位置；
所述径向波导顶层金属板上设有多个同心的环形天线阵列，每个环形天线阵列中的天线均匀分布；将径向波导结构作为级联功率分配器，将耦合探针单元作为基于径向波导的阵列天线的耦合单元，所述耦合探针采用垂直印刷贴片单元制成；
各耦合单元的耦合因子计算方法为：假设第k个圆环包含Nk个天线，并且耦合到每个天线单元的功率值均为prad,k；
则耦合到第k个圆环所有天线单元的总功率为Prad,k＝Nk×prad,k；第k+1个圆环的总输入功率为：
Pin,k+1＝Pin,k-Prad,k＝Pin,k-Nkprad,k
Pin,k为第k个圆环所有单元的总输入功率；
假设总输入功率Pin,1全部耦合给天线单元；系数prad,k指特定单元功率值，用
Figure FDA0003023949650000012
代替；Q代表总圆环数量；则第k个耦合单元的耦合因子通过下式计算得出：
Figure FDA0003023949650000011
第k个圆环总的耦合因子通过Ck＝Nkck的方法计算得到；
在馈电幅度保持不变的情况下，对馈电相位进行调制，得到具有不同焦点位置的聚焦波束，其中馈电相位调制通过天线单元输入端和馈电网络输出端口之间的移相器来实现。
2.根据权利要求1所述的基于径向波导的阵列天线孔径场，其特征在于，所述径向波导底层金属板边缘朝向径向波导顶层金属板的方向设有环形金属墙。
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径向线微带阵列天线的研究;田富贵;《中国优秀硕士学位论文全文数据库》;20110115(第1期);第3章 *
田富贵.径向线微带阵列天线的研究.《中国优秀硕士学位论文全文数据库》.2011,(第1期),第3章. *

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