CN112909539B - 一种毫米波频率极化双随机多端口聚束天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种毫米波频率极化双随机多端口聚束天线，包括：多端口激励馈电模块、频率随机调节模块、极化随机调节模块和聚束生成模块；多端口激励馈电模块位于频率随机调节模块之下，频率随机调节模块位于极化随机调节模块之下；多端口激励馈电模块、频率随机调节模块和极化随机调节模块共同构成了超构腔体；聚束生成模块位于超构腔体中心空洞处。本发明具备简单的设计形式和较低的加工制备难度，可以在毫米波频段实现加工制备与实际应用；可以大大提升低相关性随机辐射方向图的数量。

Description

一种毫米波频率极化双随机多端口聚束天线
技术领域
本发明涉及毫米波聚束随机辐射腔体天线领域，特别涉及一种毫米波频率极化双随机多端口聚束天线。
背景技术
现有的毫米波聚束随机辐射腔体天线主要利用腔体内随机变化的机械结构或者采用超材料技术设计的随机调控表面，来改变不同工作频率下天线的激励幅相特性或调制幅相特性，从而实现在不同工作频点下产生低相关性的随机辐射方向图；这些随机辐射方向图会对目标所在成像平面进行编码，编码后的成像平面可作为参考探测模式在计算关联成像中加以利用。
现有的毫米波聚束随机辐射腔体天线至少存在以下问题：
1、在毫米波及以上频段，受材料制备性能限制，难以兼顾高透射相位调控能力与低***损耗特性，这就使得基于超材料随机调控表面的毫米波聚束随机辐射腔体天线难以制备；
2、由于随机变化的机械结构占据整个腔体的空间比例受限，使得基于随机变化机械结构的毫米波聚束随机辐射腔体天线的工作频带受限，无法有效产生大量低相关性随机辐射方向图，制约了后续计算关联成像的成像精度和准确性；
3、随着工作频率的提升，传统毫米波聚束随机辐射腔体天线的结构尺寸变小，受加工工艺限制，无法实现极窄结构的加工，从而限制了毫米波聚束随机辐射腔体天线的应用。
发明内容
为解决现有技术中天线低相关随机辐射方向图数量不足和难以实现极窄缝隙加工的技术问题，本发明提供了一种毫米波频率极化双随机多端口聚束天线，本发明可以降低毫米波聚束随机辐射腔体天线的设计难度，并同时实现大量低相关性随机辐射方向图的产生，可在不同频率、不同极化状态以及不同端口激励下生成低相关性随机辐射方向图，这些随机辐射方向图可用于计算关联高分辨率成像。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种毫米波频率极化双随机多端口聚束天线，包括：多端口激励馈电模块、频率随机调节模块、极化随机调节模块和聚束生成模块；多端口激励馈电模块位于频率随机调节模块之下，频率随机调节模块位于极化随机调节模块之下；多端口激励馈电模块、频率随机调节模块和极化随机调节模块共同构成了超构腔体；聚束生成模块位于超构腔体中心的空洞处；
所述多端口激励馈电模块具有多个处于不同位置的标准矩形波导馈电端口，所述多端口激励馈电模块分别或同时接收多个标准波导馈电端口的电磁波信号，将信号传递至频率随机调节模块并将其约束在超构腔体内。
作为本发明的进一步改进，所述多端口激励馈电模块为中空圆柱形凹陷平板，所述凹陷是由平板一侧表面向内扩展形成的底面平整结构和环形侧壁，所述凹陷两侧均为垂直结构从而使中心形成空洞；所述频率随机调节模块位于多端口激励馈电模块的凹陷底面之上。
作为本发明的进一步改进，所述多端口激励馈电模块的标准波导馈电端口数量不少于两个。
作为本发明的进一步改进，所述频率随机调节模块为具有具备不同反射特性结构的超构表面的环形板，该超构表面在不同的频率下能够产生大范围变化的反射幅度和反射相位特性。
作为本发明的进一步改进，所述超构表面由具备不同反射幅度和反射相位特性的超构单元组成，不同种类的超构单元之间的反射特性不同，相同种类的超构单元通过改变某结构参数可实现低相关反射特性。
作为本发明的进一步改进，所述极化随机调节模块为镂刻有几何图案结构的中空盖板。
作为本发明的进一步改进，所述几何图案结构为具备不同短轴长度、不同旋转角度以及不同排布位置的椭圆孔洞结构稀疏阵列。
作为本发明的进一步改进，所述聚束生成模块为具有特定开口角度的圆形喇叭天线。
作为本发明的进一步改进，所述圆形喇叭天线外部具有圆台，所述聚束生成模块通过圆台布置于所述多端口激励馈电模块中心的空洞中。
作为本发明的进一步改进，所述聚束天线的有效工作带宽覆盖75GHz-85GHz频带，频率极化双随机多端口聚束天线整体辐射效率高于85％；在工作频率、极化状态固定，不同激励馈电端口工作时产生聚束随机辐射方向图的相关性低于0.3；在激励馈电端口、极化状态固定，不同工作频率下产生聚束随机辐射方向图的相关性低于0.3；在激励馈电端口、工作频率固定，不同极化状态下产生聚束随机辐射方向图的相关性低于0.3。
相对于现有技术，本发明具有以下技术效果：
本发明为毫米波频率极化双随机多端口聚束天线，包括多端口激励馈电模块、频率随机调节模块、极化随机调节模块和聚束生成模块。多端口激励馈电模块为具有多个处于不同位置处的波导馈电端口，当这多个端口分别单独工作或者同时工作时，均可使得该毫米波频率极化双随机多端口聚束天线产生低相关性随机辐射方向图；频率随机调节模块为具有在不同频率下具备不同反射特性响应的超构表面，该超构表面改变了超构腔体不同频率下的激励模式调节，实现频率随机调节的作用，使得该毫米波频率极化双随机多端口聚束天线可以在不同的工作频率下产生低相关性随机辐射方向图；极化随机调节模块为镂刻有具备不同短轴长度、不同旋转角度以及不同排布位置的椭圆孔洞稀疏阵列的中空圆形金属盖，该椭圆孔洞稀疏阵列具备不同的极化形式，使得该毫米波频率极化双随机多端口聚束天线可以在不同极化状态下产生低相关性随机辐射方向图；本发明拓展了传统毫米波聚束随机辐射腔体天线的应用场景，提出了端口维度和极化维度产生低相关性辐射方向图的方法；本发明具备简单的设计形式和较低的加工制备难度，可以在毫米波及以上频段实现加工制备与实际应用；本发明可以有效提升低相关性随机辐射方向图的生成能力，其相对独立频率间隔小于0.13％，辐射能量主要集中在设定角域范围内且可以进行调节，频率极化双随机多端口聚束天线的整体辐射效率高于85％，不同工作频率、极化状态和馈电端口下产生的辐射方向图相关性均低于0.3。
附图说明
图1为本发明实施例结构示意图；
图2为本发明多端口激励馈电模块结构示意图；
图3为本发明频率随机调节模块结构示意图；
图4为本发明极化随机调节模块结构示意图；
图5为本发明聚束生成模块结构示意图；
图6为本发明实施例在不同馈电端口或频率下产生的低相关性随机场分布；
图7为本发明实施例所产生的不同馈电端口下的聚束随机辐射方向图；
图8为本发明实施例所产生的不同极化状态下的聚束随机辐射方向图；
图9为本发明实施例所产生的不同工作频率下的聚束随机辐射方向图；
图10为本发明实施例的馈电端口反射系数和端口间互耦系数；
图11为本发明实施例的辐射效率；
图12为本发明实施例不同馈电端口下聚束随机辐射方向图的相关性系数；
图13为本发明实施例不同极化状态下聚束随机辐射方向图的相关性系数；
图14为本发明实施例不同工作频率下聚束随机辐射方向图的相关性系数。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明实施例提供一种毫米波频率极化双随机多端口聚束天线，包括：多端口激励馈电模块1、频率随机调节模块2、极化随机调节模块3和聚束生成模块4，多端口激励馈电模块1位于频率随机调节模块2之下，频率随机调节模块2位于极化随机调节模块3之下；多端口激励馈电模块1、频率随机调节模块2和极化随机调节模块3共同构成了超构腔体；聚束生成模块4位于超构腔体中心空洞处；
所述多端口激励馈电模块1用于分别或同时接收多个标准波导馈电端口5的电磁波信号，将信号传递至频率随机调节模块2并将其约束在整个腔体内，通过改变标准波导馈电端口5的位置可以改变超构腔体内的激励模式分布。
优选地，所述多端口激励馈电模块1的标准波导馈电端口5数量并不仅限于两个，增加端口可以实现更多超构腔体内激励模式分布的生成，标准波导馈电端口5分布位置的改变可以在相同数目情况下产生不同的超构腔体内激励模式分布。
所述频率随机调节模块2，利用超构表面在不同频率下可以产生不同的发射幅度和发射相位特性，当不同频率的电磁波信号从多端口激励馈电模块1传输至频率随机调节模块2后，通过超构表面的发射，在离散工作频点下生成低相关性的激励模式分布，这些低相关性的激励模式分布在相同位置处具备不同的初始幅度和初始相位。
优选地，所述频率随机调节模块2由具备不同反射幅度和反射相位特性的超构单元组成，不同种类的超构单元之间的反射特性不同，相同种类的超构单元通过改变某结构参数可实现低相关反射特性。
优选地，所述频率随机调节模块2位于多端口激励馈电模块1之上，且二者紧密贴合，均为中空形式。
优选地，所述极化随机调节模块3为镂刻有具备不同短轴长度、不同旋转角度以及不同排布位置的椭圆孔洞结构稀疏阵列的中空盖板31。
优选地，所述极化随机调节模块3位于频率随机调节模块2之上，极化随机调节模块3、频率随机调节模块2和多端口激励馈电模块1共同组成超构腔体。
优选地，所述极化随机调节模块3上镂刻的椭圆孔洞结构稀疏阵列具备不同短轴长度、不同旋转角度和不同分布位置，该稀疏阵列可以产生具有多种极化状态的随机辐射方向图，且不同极化状态下的随机辐射方向图相关性较低。
优选地，所述聚束生成模块4为具有特定开口角度41的圆形喇叭天线42；所述聚束生成模块4布置于所述多端口激励馈电模块1中心的空洞处。
毫米波频率极化双随机多端口聚束天线由多端口激励馈电模块1实现在不同端口单独或同时激励时产生不同的激励模式分布，从而实现端口随机；由频率随机调节模块2实现在不同频率下生成不同激励模式分布，从而实现频率随机；由极化随机模块3实现多种极化状态的随机辐射方向图，从而实现极化随机；由聚束生成模块4产生具有强方向性的主波束，从而实现聚束特性。
以下结合具体实施例和附图对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示，一种毫米波频率极化双随机多端口聚束天线，其特征在于，包括：多端口激励馈电模块1、频率随机调节模块2、极化随机调节模块3和聚束生成模块4；多端口激励馈电模块1位于频率随机调节模块2之下，频率随机调节模块2位于极化随机调节模块3之下；多端口激励馈电模块1、频率随机调节模块2和极化随机调节模块3共同构成了超构腔体；聚束生成模块4位于超构腔体中心空洞处。
所述多端口激励馈电模块1具有多个处于不同位置的标准矩形波导馈电端口5，所述多端口激励馈电模块1分别或同时接收多个标准波导馈电端口5的电磁波信号，将信号传递至频率随机调节模块2并将其约束在超构腔体内。
如图2所示，所述多端口激励馈电模块1为中空圆柱形凹陷平板，所述凹陷是由平板一侧表面向内扩展形成的底面平整结构12和环形侧壁11，所述凹陷两侧均为垂直结构从而使中心形成空洞13；所述频率随机调节模块2位于多端口激励馈电模块1的凹陷底面之上。
如图3所示，所述频率随机调节模块2为具有具备不同反射特性结构的超构表面22的环形板21，该超构表面22在不同的频率下能够产生大范围变化的反射幅度和反射相位特性。
如图4所示，所述极化随机调节模块3为镂刻有几何图案结构32的中空盖板31。作为优选实施例，所述几何图案结构32为具备不同短轴长度、不同旋转角度以及不同排布位置的椭圆孔洞结构稀疏阵列。
如图5所示，所述聚束生成模块4为具有特定开口角度41的圆形喇叭天线42；圆形喇叭天线42外部具有圆台43，所述聚束生成模块4通过圆台43布置于所述多端口激励馈电模块1中心的空洞13中。
作为优选的实施例，所述的毫米波频率极化双随机多端口聚束天线，可以产生具有频率特性的随机辐射方向图，且不同离散频点下的随机辐射方向图相关性较低；可以产生具有多种极化状态的随机辐射方向图，且不同极化状态下的随机辐射方向图相关性较低；当通过不同端口进行激励时，可以产生不同的随机辐射方向图，且仍满足不同频率下、不同极化状态下的随机辐射方向图相关性较低。
如图6所示，本发明所展示的实施例在不同端口激励时可以在超构腔体内产生不同的激励模式分布；在不同离散工作频率下也可以在超构腔体内产生不同的激励模式分布；这些激励模式，通过具备不同短轴长度、不同旋转角度以及不同分布位置的椭圆孔洞结构的稀疏阵列进行随机辐射，从而产生在端口、频率和极化三个维度均低相关的随机辐射方向图。
如图7至图9所示，本发明所展示的实施例可以在工作频率、极化状态固定，不同激励馈电端口5工作时产生低相关性聚束随机辐射方向图；可以在激励馈电端口5、极化状态固定，不同工作频率下产生低相关性聚束随机辐射方向图；可以在激励馈电端口5、工作频率固定，不同极化状态下产生低相关性聚束随机辐射方向图；辐射能量主要集中在设定角域范围内，且可以进行调节。
如图10至图14所示，有效工作带宽可覆盖75GHz-85GHz频带，频率极化双随机多端口聚束天线整体辐射效率高于85％；在工作频率、极化状态固定，不同激励馈电端口5工作时产生聚束随机辐射方向图的相关性低于0.3；可以在激励馈电端口5、极化状态固定，不同工作频率下产生聚束随机辐射方向图的相关性低于0.3；可以在激励馈电端口5、工作频率固定，不同极化状态下产生聚束随机辐射方向图的相关性低于0.3。
综上所述，本发明毫米波频率极化双随机多端口聚束天线，包括多端口激励馈电模块1、频率随机调节模块2、极化随机调节模块3和聚束生成模块4。多端口激励馈电模块1为具有多个处于不同位置处的波导馈电端口5，当这多个端口分别单独工作或者同时工作时，均可使得该毫米波频率极化双随机多端口聚束天线产生低相关性随机辐射方向图；频率随机调节模块2为具有在不同频率下具备不同反射特性响应的超构表面，该超构表面改变了超构腔体不同频率下的激励模式，实现频率随机调节的作用，使得该毫米波频率极化双随机多端口聚束天线可以在不同的工作频率下产生低相关性随机辐射方向图；极化随机调节模块3为镂刻有具备不同短轴长度、不同旋转角度以及不同排布位置的椭圆孔洞稀疏阵列的中空圆形金属盖，该椭圆孔洞稀疏阵列具备不同的极化形式，使得该毫米波频率极化双随机多端口聚束天线可以在不同极化状态下产生低相关性随机辐射方向图；本发明拓展了传统毫米波聚束随机辐射腔体天线的应用场景，提出了端口维度和极化维度产生低相关性辐射方向图的方法；本发明具备简单的设计形式和较低的加工制备难度，可以在毫米波频段实现加工制备与实际应用；本发明可以大大提升低相关性随机辐射方向图的数量，其相对独立频率间隔小于0.13％，辐射能量主要集中在设定角域范围内，频率极化双随机多端口聚束天线的整体辐射效率高于85％，不同工作频率、极化状态和馈电端口5下产生的随机辐射方向图相关性均低于0.3。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，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该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种毫米波频率极化双随机多端口聚束天线，其特征在于，包括：多端口激励馈电模块(1)、频率随机调节模块(2)、极化随机调节模块(3)和聚束生成模块(4)；多端口激励馈电模块(1)位于频率随机调节模块(2)之下，频率随机调节模块(2)位于极化随机调节模块(3)之下；多端口激励馈电模块(1)、频率随机调节模块(2)和极化随机调节模块(3)共同构成了超构腔体；聚束生成模块(4)位于超构腔体中心的空洞(13)处；
所述多端口激励馈电模块(1)具有多个处于不同位置的激励馈电端口(5)，所述多端口激励馈电模块(1)分别或同时接收多个激励馈电端口(5)的电磁波信号；
所述多端口激励馈电模块(1)为中空圆柱形凹陷平板，所述凹陷是由平板一侧表面向内扩展形成的底面平整结构(12)和环形侧壁(11)，所述凹陷两侧均为垂直结构从而使中心形成空洞(13)；
所述频率随机调节模块(2)为具有具备不同反射特性结构的超构表面(22)的环形板(21)；
所述极化随机调节模块(3)为镂刻有几何图案结构(32)的中空盖板(31)；
所述几何图案结构(32)为具备不同短轴长度、不同旋转角度以及不同排布位置的椭圆孔洞结构稀疏阵列；
所述聚束生成模块(4)为具有特定开口角度(41)的圆形喇叭天线(42)；
所述圆形喇叭天线(42)外部具有圆台(43)，所述聚束生成模块(4)通过圆台(43)布置于所述多端口激励馈电模块(1)中心的空洞(13)中。
2.根据权利要求1所述的一种毫米波频率极化双随机多端口聚束天线，其特征在于，所述多端口激励馈电模块(1)将电磁波信号传递至频率随机调节模块(2)并将其约束在超构腔体内。
3.根据权利要求1所述的一种毫米波频率极化双随机多端口聚束天线，其特征在于，所述频率随机调节模块(2)位于多端口激励馈电模块(1)的凹陷底面之上。
4.根据权利要求1所述的一种毫米波频率极化双随机多端口聚束天线，其特征在于，所述超构表面(22)在不同的频率下能够产生大范围变化的反射幅度和反射相位特性。
5.根据权利要求1所述的一种毫米波频率极化双随机多端口聚束天线，其特征在于，所述多端口激励馈电模块(1)的激励馈电端口(5)数量不少于两个。
6.根据权利要求1所述的一种毫米波频率极化双随机多端口聚束天线，其特征在于，所述超构表面(22)由具备不同反射幅度和反射相位特性的超构单元组成，不同种类的超构单元之间的反射特性不同，相同种类的超构单元通过改变某结构参数可实现低相关反射特性。
7.根据权利要求1所述的一种毫米波频率极化双随机多端口聚束天线，其特征在于，所述聚束天线的有效工作带宽覆盖75GHz-85GHz频带，频率极化双随机多端口聚束天线整体辐射效率高于85％；在工作频率、极化状态固定，不同激励馈电端口(5)工作时产生聚束随机辐射方向图的相关性低于0.3；在激励馈电端口(5)、极化状态固定，不同工作频率下产生聚束随机辐射方向图的相关性低于0.3；在激励馈电端口(5)、工作频率固定，不同极化状态下产生聚束随机辐射方向图的相关性低于0.3。
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