CN114552227A - 一种基于稀布相控阵馈电的平面龙伯透镜天线 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种基于稀布相控阵馈电的平面龙伯透镜天线，属于天线技术领域。该天线将球面龙伯透镜天线通过光学变换压缩为平面结构，再利用优化算法优化出与平面透镜结构相匹配的大间距稀布馈电阵列，使得天线在确定稀疏布局后，天线工作过程中在不同扫描角度下激励幅度不发生变化，以保障扫描范围内EIRP指标；同时，天线还具有高增益、低剖面、低成本的优势，是有较强的工程实用性。

Description

一种基于稀布相控阵馈电的平面龙伯透镜天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种基于稀布相控阵馈电的平面龙伯透镜天线。

背景技术

随着5G、低轨卫星通信等无线通信技术的快速发展，无线通信的应用场景变得越来越复杂。天线作为无线通信***中的重要器件，其性能要求变得越来越高。在5G、低轨卫星通信等无线通信场景中，存在远距离通信，波束对准与小空间装配等实际应用，因而要求天线具有高增益、波束快速切换、低剖面的要求。

相控阵天线是通信***中应用最广泛的波束扫描天线，具有快速宽角扫描、多波束形成、空间功率合成等能力；该天线通过控制阵列天线各单元的相位以达到灵活控制波束的目的。但是在毫米波波段，由于阵元间距非常小，存在没有足够空间放置阵列的收发（TR）组件等问题。另一方面，由于毫米波器件的输出功率小，***发射信号的能力EIRP更为重要。此外，随着增益的增高，TR通道规模增大，相控阵天线还存在成本高昂和功率消耗过大等问题。上述问题使得毫米波相控阵在成本受到严格限制的商用通信***中不具有明显的竞争优势。

透镜天线是一种将点源辐射的球面波转换为平面波、从而获得高增益笔形波束的天线。相比相控阵天线与抛物面天线，透镜天线因高增益、低成本、易加工等优势被广泛应用于需要高增益的无线通信场景中。常见的透镜天线有曲面介质透镜、龙伯透镜、菲涅尔透镜、透射阵天线等。龙伯透镜具有良好的高增益波束扫描性能，但是与曲面介质透镜一样，龙伯透镜存在体积庞大笨重、天线剖面高及加工成本昂贵等问题，限制了其在大规模商业中的应用。

基于以上问题，大量研究者将相控阵天线和透镜天线相结合，对相控馈电的透镜天线展开研究，将透镜天线的高增益低成本与相控天线的大角度快速电扫描有机结合在实现高增益的同时，可以用较少的 TR 通道数量实现连续快速地波束扫描，既降低了***成本又改善了天线扫描性能。同时，当相控阵天线被适当激励时，可以产生一个远低于相控阵所在平面的聚焦点，该焦点可用作透镜天线的虚拟焦点；于是天线的剖面高度从透镜到虚拟焦点的距离变为透镜到相控阵的距离，从而降低了整个天线的剖面高度，更利于实际工程应用。

Zhishu Qu等人在“Wide-Angle Scanning Lens at 28 GHz Fed by AntennaArray”论文中将高增益低成本的透镜天线与大角度快速电扫描的相控天线有机结合，虽然实现±58°的扫描能力，然而随着3D介质透镜扫描角度增加，馈源阵列激励的单元数越少，使得***指标等效全向辐射功率（EIRP）明显下降，严重制约了超高增益无线通信场景的使用需求；电子科技大学屈世伟教授团队在“相控透镜天线技术研究”中，以EIRP为优化目标，通过采用4×4相控阵满功率照射透射阵，实现±15°的扫描范围；但由于其透射阵的多层结构以及馈源的满阵排布，需要16个TR通道数量来实现波束扫描，成本高昂。

因此，如何基于相控阵天线和透镜天线设计天线，使得天线在工作扫描过程中等效全向辐射功率（EIRP）不发生骤变，且具有高增益、低剖面、低成本的优势，就成为目前的研究热点。

发明内容

针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于稀布相控阵馈电的平面龙伯透镜天线。该天线将球面龙伯透镜天线通过光学变换压缩为平面结构，再利用优化算法优化出与平面透镜结构相匹配的大间距稀布馈电阵列，使得天线在确定稀疏布局后，天线工作过程中在不同扫描角度下激励幅度不发生变化；同时，天线还具有高增益、低剖面、低成本的优势，是有较强的工程实用性。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于稀布相控阵馈电的平面龙伯透镜天线，包括圆柱形平面透镜、馈源天线、支撑单元；

所述圆柱形平面透镜包括一个实心圆柱透镜和若干个空心圆柱透镜，若干个空心圆柱透镜依次逐层嵌套于实心圆柱透镜***，所有圆柱透镜保持同心，由内到外各层透镜的横向截面长度依次增大，最外层空心圆柱透镜的表面设置突起结构，用于和支撑单元固定连接；圆柱形平面透镜中每个透镜的相对介电常数从内到外依次减小；

所述馈源天线位于圆柱形平面透镜的正下方，由m×k个阵列排列的天线单元组成；

所述支撑单元包括两个支撑杆和一个支撑平面，所述馈源天线设置于支撑平面上，两个支撑杆分别设置于支撑平面的两端，支撑杆的一端与支撑平面固定连接，另一端与圆柱形平面透镜固定连接；

m×k个天线单元稀布设置，同时设定支撑杆高度，使平面龙伯透镜天线在扫描工作过程中天线单元的激励幅度不发生改变，等效全向辐射功率不发生骤降。

进一步地，所述馈源天线的最大长度尺寸小于圆柱形平面透镜横向截面长度的最大尺寸。

进一步地，m≥2，k≥2。

进一步地，每层圆柱透镜的相对介电常数的设定按照以下步骤进行：

步骤1、通过电磁仿真优化出符合性能指标的球形龙伯透镜天线，确定球形龙伯透 镜的组成层数、直径和每一层介质材料的电参数，如相对介电常数

和相对磁导率

；

步骤2、将步骤1得到的球形龙伯透镜通过光学变换进行压缩，得到由圆柱透镜组 成的圆柱形平面透镜中每层圆柱透镜横向截面宽度（直径）、横向截面长度和电参数，如相 对介电常数

和相对磁导率

。

进一步地，m×k个单元天线稀布设置根据遗传算法优化计算得到，具体优化过程为：

步骤1、随机产生初始单元天线分布阵列A，采用密度加权计算得到初始单元天线分布阵列A的方向性系数Ｄ和最大副瓣电平，以F值作为评估依据，其中，F=D-最大副瓣电平；

步骤2、随机生成一个密度加权随机分布阵列B，按照步骤1的评估依据计算方法计算随机分布阵列B的F；若比A好，则用随机分布阵列B的第一列替换初始单元天线分布阵列A中的第一列，然后重新计算替换后初始单元天线分布阵列A的F值，若更大则实施替换，并更新F的值；否则不互换；

步骤3、重复步骤2，直至替换整个初始单元天线分布阵列A阵列的所有列，得到最优的F值和更新后的A阵列；

步骤4、按照一定的变异率，更新步骤2中随机分布阵列B的所有列，得的新的阵列B；

步骤5、重复步骤2至步骤4，直至达到迭代次数设定，即可获得最终的单元天线稀布排列结果。

进一步地，步骤4中的变异率为0.005~0.1。

进一步地，若馈源天线由4×4个天线单元组成，则具体的稀布设置C为：

C=[0 1 1 0; 1 1 1 0; 0 1 1 1; 1 0 1 0]

其中，0表示无源天线单元，即不对天线单元进行激励；1表示有源天线单元，对天线单元进行激励。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明将传统球面龙伯透镜天线通过光学变换进行压缩，得到若干层圆柱形平面龙伯透镜结构，再利用优化算法优化出适配于平面龙伯透镜的稀布阵馈源天线，使得天线工作过程中在不同扫描角度下激励幅度不发生改变，以保障扫描范围内EIRP指标。

2.本发明通过平面龙伯透镜结构显著降低了天线剖面高度，相对于球形龙伯透镜还降低了加工复杂度和加工成本；同时，天线阵列稀疏化，以最少的天线单元数量满足满阵时相控阵天线的性能，有效减少了移相器和衰减器的数量，在满足高增益的前提下显著降低了成本。

附图说明

图1为本发明基于稀布相控阵馈电的平面龙伯透镜天线的整体结构示意图。

图2为球面龙伯透镜天线转变为平面龙伯透镜天线过程中的光学变换示意图。

图3为经过光学变换后的圆柱形平面龙伯透镜结构截面示意图。

图4 为本发明实施例1中4×4的馈源天线平面示意图。

图5为本发明实施例1中4×4的馈源天线的方向图。

图6为本发明实施例1中4×4的稀布馈源天线的馈电示意图。

图7为本发明实施例1中4×4的稀布馈源天线的方向图。

图8为本发明实施例1基于稀布阵馈电的平面龙伯透镜天线的方向图。

图9为本发明实施例1基于稀布阵馈电的平面龙伯透镜天线的扫描方向图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。

一种基于稀布相控阵馈电的平面龙伯透镜天线，其结构示意图如图1所示，包括圆柱形平面龙伯透镜a、馈源天线b、支撑单元c；

所述圆柱形平面透镜结构a包括一个实心圆柱透镜和若干个空心圆柱透镜，若干个空心圆柱透镜依次逐层嵌套于实心圆柱透镜***，所有圆柱透镜保持同心，由内到外各层透镜的横向截面长度依次增大，最外层空心圆柱透镜的表面设置突起结构，用于和支撑单元固定连接；平面透镜结构中每个透镜的相对介电常数从内到外依次减小；

所述馈源天线b位于平面透镜结构的正下方，由m×k个阵列排列的天线单元组成；

所述支撑单元c包括两个支撑杆和一个支撑平面，所述馈源天线设置于支撑平面上，两个支撑杆分别设置于支撑平面的两端，支撑杆的一端与支撑平面固定连接，另一端与圆柱形平面透镜固定连接；

m×k个天线单元稀布设置，同时设定支撑杆高度，使平面龙伯透镜天线在扫描工作过程中天线单元的激励幅度不发生改变，等效全向辐射功率不发生骤降。

实施例1

一种基于稀布相控阵馈电的平面龙伯透镜天线，按照以下步骤设计得到：

步骤1.根据指标馈源天线的10 dB波束宽度为34°，通过电磁仿真软件设计球形龙伯透镜天线，具体为：在本实施例中首先设计了具有5层介质材料构成的球形龙伯透镜天线，球形龙伯透镜天线的最里层介质材料的相对介电常数为2，从里到外相对介电常数依次等间距减小，最外层材料电参数为1；以及球形龙伯透镜天线的半径R；

步骤2.利用光学变换将步骤1得到的球形龙伯透镜天线压缩为圆柱形平面透镜，具体过程为：

在直角坐标系下对球形龙伯透镜天线进行如图2所示的光学变换，经光学变换后得到由5层不同介质材料组成的圆柱形平面龙伯透镜如图3所示。

步骤3.利用电磁仿真软件仿真优化步骤2得到圆柱形平面透镜，得出圆柱形平面龙伯透镜的最优高度和每层透镜的电参数；

本实施例中5层圆柱形平面龙伯透镜的每一层相对介电常数通过以下公式计算得到，

其中，

和

为球形龙伯透镜第i层的电参数，H为光学变换的雅克比矩阵，

其中，

为光学变换之前球形龙伯透镜在直角坐标系下的坐标信息，

为光学变换之后圆柱形平面龙伯透镜的坐标信息；

然后利用电磁仿真软件优化圆柱形平面龙伯透镜的每一层相对介电常数的值，使圆柱形平面龙伯透镜的辐射效率最高；本实施例中优化得到的圆柱形平面龙伯透镜每一层的相对介电常数为：从里到外第一层11.8，第二层9.8，第三层8.1，第四层5.6，第五层4；圆柱形平面龙伯透镜的整体高度为10mm。

步骤4.选用相控阵天线作为馈源天线，工作在29.5GHz，其中，馈源天线包括4×4个阵列排布的天线单元，每个天线单元之间的间距为5.2mm，馈源天线平面示意图如图4所示，方向图如图5所示。用遗传算法对4×4阵列规模的馈源天线进行稀布优化，具体过程为：

步骤4.1.随机产生初始单元天线分布阵列A，通过方向图计算公式得到初始单元天线分布阵列A的方向性系数Ｄ和最大副瓣电平，以适应值F作为评估依据，其中，F=D-最大副瓣电平；

步骤4.2.生成一个密度加权随机分布阵列B，按照步骤4.1的评估依据计算方法计算随机分布阵列B的F；若比A好，则用随机分布阵列B的第一列替换初始单元天线分布阵列A中的第一列，然后重新计算替换后初始单元天线分布阵列A的F值，若更大则实施替换，并更新F的值；否则不互换；

步骤4.3.重复4.2，直至替换整个初始单元天线分布阵列A阵列的所有列，得到最优的F值和更新后的A阵列；

步骤4.4.按照0.05的变异率，更新4.2中随机分布阵列B的所有列，得的新的阵列B；

步骤4.5.重复4.2-4.4，直至达到迭代次数设定，即可获得最终的稀布馈源天线。

优化后的馈源天线中各天线单元的馈电示意图如图6所示，图中，0表示对该天线单元不进行馈电，1表示对天线单元进行馈电。

稀布相控阵方向图如图7所示。与图5对比，主瓣增益及波束宽度基本一致，表明在透镜法向辐射时，稀布馈源天线可以做到均匀布阵的效果。

步骤5.利用仿真软件将稀布馈源天线和圆柱形平面透镜一起进行匹配优化，具体过程为：

步骤5.1.调节馈源天线与平面透镜之间的间距，使整个天线的法向增益最大；

步骤5.2.利用相位共轭确定波束指向（θ，φ）方向时的馈源相位初值，包括俯仰角θ∈(-15°∼15°)，方位角φ∈(0°∼360°)；

步骤5.3 将馈源相位初值作为激励相位，利用仿真软件，得到对应扫描角度的增益值；对相位初值进行参数调整，记录该角度下的增益变化，若增益值增大，则更新对应的馈电相位，否则不更新；直至得到增益最大值对应的馈电相位。

最终得到的基于稀布相控阵馈电的平面龙伯透镜天线方向图如图8所示，扫描方向图如图9所示。从图8中可以看出，基于稀布相控阵馈电的平面龙伯透镜天线在法向有28dBi的增益；图9表明透镜天线在扫描15°角度有25.1dBi的增益；而在扫描过程中，天线单元的稀布设置不发生变化，***的等效全向辐射功率（EIRP）仅与天线增益变化相关。本发明中因为天线扫描过程中增益变化不大，因此***的EIRP不会发生骤变。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (7)

1.一种基于稀布相控阵馈电的平面龙伯透镜天线，其特征在于，包括圆柱形平面透镜、馈源天线和支撑单元；

所述圆柱形平面透镜包括一个实心圆柱透镜和若干个空心圆柱透镜，若干个空心圆柱透镜依次逐层嵌套于实心圆柱透镜***，所有圆柱透镜保持同心；由内到外各层透镜的横向截面长度依次增大，最外层空心圆柱透镜的表面设置突起结构，用于和支撑单元固定连接；圆柱形平面透镜中每个透镜的相对介电常数从内到外依次减小；

所述馈源天线位于圆柱形平面透镜的正下方，由m×k个阵列排列的天线单元组成；

所述支撑单元包括两个支撑杆和一个支撑平面，所述馈源天线设置于支撑平面上，两个支撑杆分别设置于支撑平面的两端，支撑杆的一端与支撑平面固定连接，另一端与圆柱形平面透镜固定连接；

m×k个天线单元稀布设置，同时设定支撑杆高度，使平面龙伯透镜天线在扫描工作过程中天线单元的激励幅度不发生改变。

2.如权利要求1所述的平面龙伯透镜天线，其特征在于，所述馈源天线的最大长度尺寸小于圆柱形平面透镜横向截面长度的最大尺寸。

3.如权利要求1所述的平面龙伯透镜天线，其特征在于，m≥2，k≥2。

4.如权利要求1所述的平面龙伯透镜天线，其特征在于，每层圆柱透镜的相对介电常数的设定按照以下步骤进行：

步骤1、通过电磁仿真优化出符合性能指标的球形龙伯透镜天线，确定球形龙伯透镜的组成层数、直径和每一层介质材料的电参数；

步骤2、将步骤1得到的球形龙伯透镜通过光学变换进行压缩，得到由圆柱透镜组成的圆柱形平面透镜中每层圆柱透镜横向截面宽度、横向截面长度和电参数。

5.如权利要求4所述的平面龙伯透镜天线，其特征在于，电参数包括相对介电常数

和 相对磁导率

。

6.如权利要求1所述的平面龙伯透镜天线，其特征在于，m×k个单元天线稀布设置根据遗传算法优化计算得到，具体优化过程为：

步骤1、随机产生初始单元天线分布阵列A，采用密度加权计算得到初始单元天线分布阵列A的方向性系数Ｄ和最大副瓣电平，F=D-最大副瓣电平，F为评估依据；

步骤2、随机生成一个密度加权随机分布阵列B，按照步骤1的评估依据计算方法计算随机分布阵列B的F；若比A好，则用随机分布阵列B的第一列替换初始单元天线分布阵列A中的第一列，然后重新计算替换后初始单元天线分布阵列A的F值，若更大则实施替换，并更新F的值；否则不互换；

步骤3、重复步骤2，直至替换整个初始单元天线分布阵列A阵列的所有列，得到最优的F值和更新后的A阵列；

步骤4、按照0.005~0.1的变异率，更新步骤2中随机分布阵列B的所有列，得的新的阵列B；

步骤5、重复步骤2至步骤4，直至达到迭代次数设定，即可获得最终的单元天线稀布排列结果。

7.如权利要求6所述的平面龙伯透镜天线，其特征在于，若馈源天线由4×4个天线单元组成，则具体的稀布设置C为：

C=[0 1 1 0; 1 1 1 0; 0 1 1 1; 1 0 1 0]

其中，0表示无源天线单元，即不对天线单元进行激励；1表示有源天线单元，对天线单元进行激励。

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