本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種反射式天線陣列。

背景技術(shù)：

雷達(dá)天線是雷達(dá)中用以輻射和接收電磁波并決定其探測方向的重要設(shè)備，雷達(dá)的重要戰(zhàn)術(shù)性能，例如探測距離、探測范圍、探測角(方位、俯仰)精度、角度分辨率和反干擾能力等，均與雷達(dá)天線性能有關(guān)。

為實(shí)現(xiàn)雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的探測和追蹤，一般的雷達(dá)天線需要具有波束掃描能力，按其掃描方式，可將雷達(dá)天線分為機(jī)械掃描天線、電子掃描天線和機(jī)電掃描天線三類。機(jī)械掃描天線采用較多的為拋物面天線和透鏡天線，具有旁瓣和后瓣電平小、定向性好等優(yōu)點(diǎn)，因此在航空、航天、衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信等領(lǐng)域獲得了重要而廣泛的應(yīng)用。但由于傳統(tǒng)拋物面天線和透鏡天線具有體積大、重量高、安裝復(fù)雜、不易于集成等問題，在機(jī)載雷達(dá)、星載雷達(dá)和彈載雷達(dá)等對(duì)體積和質(zhì)量有著苛刻要求的系統(tǒng)中難以獲得應(yīng)用。當(dāng)今主流的相控陣?yán)走_(dá)天線中即采用了電子掃描方式，在這種天線中每個(gè)雷達(dá)天線單元連接一個(gè)移相器，且所有的移相器由計(jì)算機(jī)控制，從而實(shí)現(xiàn)天線的波束掃描。但相控陣天線中的移相器等T/R組件價(jià)格昂貴。

反射面天線具有高增益、低副瓣、主瓣窄等優(yōu)點(diǎn)，可以在形成高增益和要求形狀波束的同時(shí)，饋電簡單、設(shè)計(jì)比較容易、成本較低，能滿足多種常規(guī)雷達(dá)系統(tǒng)的要求。反射面天線是衛(wèi)星通信地面終端站天線的主要形式之一，在遠(yuǎn)程無線電通信和高分辨雷達(dá)等方面有廣泛應(yīng)用。反射面天線由一個(gè)反射表面和一個(gè)饋電天線構(gòu)成，通過反射面對(duì)電磁波的散射效應(yīng)形成期望的輻射方向圖。

但是現(xiàn)有反射式天線陣列的體積還比較大，波束調(diào)控功能不夠全面等缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，提供一種反射式天線陣列。

具體的方案為：提供一種反射式天線陣列，包括可編程基板和超材料表面，所述超材料表面包括若干個(gè)有源天線單元，該有源天線單元包括超材料單元和連接在超材料單元之間的有源二極管；當(dāng)有源二極管的狀態(tài)排布不同時(shí)，超材料表面的“0”、“1”狀態(tài)分布不同；進(jìn)而將平面波反射形成所需要的輻射波束。

在進(jìn)一步的實(shí)施例中，反射式天線陣列還包括激勵(lì)源和金屬支架，所述激勵(lì)源、可編程基板與超材料表面固定于該金屬支架上。

在進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述超材料單元的散射遠(yuǎn)場

其中，θ和分別為輻射波束的俯仰角和方位角；D為超材料單元的寬度；k為自由空間的波數(shù)；每個(gè)單元的相位為N、m、n為自然數(shù)。所述激勵(lì)源為圓錐喇叭，所述圓錐喇叭的頂角θ＝2arctan(a/2L)，其中a為喇叭口面直徑，L為喇叭輻射長度。所述圓錐喇叭轉(zhuǎn)動(dòng)連接于金屬支架上，圓錐喇叭的轉(zhuǎn)動(dòng)角度為0-60°。

本發(fā)明還提供一種波束掃描方法，基于上述反射式天線陣列實(shí)現(xiàn)，所述波束掃描方法包括如下步驟：根據(jù)電磁逆算法設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的表面編碼；

將表面編碼寫入FPGA控制板，控制二極管的通斷；

超表面單元相位發(fā)生變化，平面波由超表面反射后得到輻射波束。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下有益效果：

(1)、本發(fā)明設(shè)計(jì)的有源超材料單元通過有源二極管的通斷實(shí)現(xiàn)了控制其不同相位的工作狀態(tài)“0”和“1”，根據(jù)電磁編碼逆向算法，由雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)輻射波束的不同要求，可快速設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的“0”和“1”編碼排布，通過可編程基板快速控制對(duì)應(yīng)的有源二極管，控制波束掃描角度和輻射波束。與傳統(tǒng)拋物面雷達(dá)天線相比，可直接進(jìn)行數(shù)字控制，無需復(fù)雜昂貴的移相器以及AD/DA轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)更全面的波束調(diào)控功能，不但可以進(jìn)行波束掃描，還能夠產(chǎn)生高增益單波束、雙波束和可控多波束，且能夠靈活切換。

(2)、本發(fā)明驅(qū)動(dòng)電壓和功耗低，結(jié)構(gòu)簡單。可編程基板通過5V電壓即可進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，而且單個(gè)有源二極管的工作電流很低(5.2mA)，整個(gè)控制板和有源超材料表面功率消耗低。整體結(jié)構(gòu)采用激勵(lì)喇叭源、超材料表面和可編程基板組成即可生成0°-70°的全方位掃描波束，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，不需要機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)天線結(jié)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)需要方位角度的輻射波束，整體體積減小，增加靈活性。

(3)、本發(fā)明反射面和激勵(lì)喇叭源集成在金屬支架上，通過調(diào)節(jié)喇叭源與反射面的方位就可實(shí)現(xiàn)最佳的反射波束，可適應(yīng)于不同的激勵(lì)喇叭與反射面，具有靈活的調(diào)節(jié)性。

附圖說明

圖1a為本發(fā)明的原理圖；圖1b為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2a、圖2b和圖2c分別為本發(fā)明的有源天線單元的主視圖、后視圖和側(cè)視圖。

圖3為本發(fā)明的激勵(lì)喇叭源的結(jié)構(gòu)圖。

圖4a和圖4b為本發(fā)明的天線支架的側(cè)視圖和俯視圖。

圖5為本發(fā)明的可編程基板原理框圖。

圖6a和圖6b分別為本發(fā)明在10GHz頻率點(diǎn)測試的單波束輻射方向圖。

圖7a和圖7b為本發(fā)明在10GHz頻率點(diǎn)測試的雙波束輻射方向圖。

圖8是本發(fā)明的工作流程圖。

具體實(shí)施方式

申請(qǐng)人經(jīng)研究后認(rèn)為：傳統(tǒng)的反射面天線通過設(shè)計(jì)反射面的形狀來實(shí)現(xiàn)期望的輻射方向，反射面的結(jié)構(gòu)和性能就已經(jīng)固定，無法根據(jù)實(shí)際需要對(duì)天線進(jìn)行實(shí)時(shí)控制?？删幊谭瓷涿嫣炀€具有傳統(tǒng)拋物面反射天線和相控陣天線的優(yōu)點(diǎn)，通過調(diào)節(jié)二維結(jié)構(gòu)的微帶反射天線的單元排列，能夠?qū)崿F(xiàn)單個(gè)波束或多個(gè)波束同時(shí)工作，并覆蓋特定形狀的空域，在衛(wèi)星通信和電子對(duì)抗等技術(shù)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。微帶反射天線是改進(jìn)衛(wèi)星通信系統(tǒng)性能的一項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)，也是現(xiàn)代電子對(duì)抗中分選大量目標(biāo)的一種重要手段。以下詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案和實(shí)施案例。

在圖1a至圖7所示的實(shí)施例中，該反射式天線陣列主要包括喇叭激勵(lì)源1、超材料表面5和可編程基板4；有源天線單元6由有源二極管器件2和超材料單元3組成；“0”、“1”超材料表面由n×n個(gè)有源天線單元陣列組成；可編程基板通過插槽與超材料表面相連接，通過下載線將編碼序列寫入到可編程基板；所述喇叭激勵(lì)源、可編程基板和“0”、“1”超材料表面固定在金屬支架上。

喇叭激勵(lì)源作為信號(hào)激勵(lì)源，發(fā)射平面波至“0”、“1”超材料表面，其發(fā)射的平面波面積與超材料表面大小近似，最大的將平面波反射，形成高增益、方向性較好的反射波束，通過調(diào)整喇叭激勵(lì)源的位置和方位角即可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同大小的反射板天線發(fā)射進(jìn)行適當(dāng)?shù)募?lì)?！?”、“1”超材料表面通過控制有源二極管器件的通斷改變表面的“0”、“1”狀態(tài)分布，將喇叭激勵(lì)源的平面波反射形成所需要的輻射波束?？删幊袒灏凑绽走_(dá)波束的要求將特定的“0”、“1”編碼分布通過FPGA控制板寫入，控制有源二極管器件的通斷，將平面波反射形成特定的輻射波束。

喇叭激勵(lì)源可提供平面波激勵(lì)，保證超材料表面上所有的有源天線單元接受到的平 面波相位幅度相同。金屬支架7可調(diào)節(jié)激勵(lì)喇叭源和超材料表面的距離和方位，實(shí)現(xiàn)每個(gè)有源超材料單元都可作用于反射波束，達(dá)到最佳的反射效果。

在上述的反射式天線陣列中，所述有源天線單元的“0”和“1”工作狀態(tài)通過控制有源二極管器件的通斷實(shí)現(xiàn)，兩種不同的工作狀態(tài)下其工作頻率范圍內(nèi)的相位相差180°，構(gòu)成0和1的1bit編碼超材料單元。

如圖2a至圖2c所示為有源天線單元結(jié)構(gòu)，通過表面的輻射貼片上兩個(gè)通孔分別連接地與電源正極，給有源二極管器件2供電，極大簡化了整個(gè)系統(tǒng)的供電。

其中，結(jié)構(gòu)中參數(shù)l1、l2可改變單元的工作頻率點(diǎn)；w2為有源二極管器件的長度；根據(jù)有源二極管器件2的通斷，對(duì)參數(shù)s1、s2和w1進(jìn)行優(yōu)化可得到兩種情況下相位相差180°，那么由此單元可以設(shè)計(jì)在X波段各個(gè)頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的單元。

所述“0”、“1”超材料表面上所有的單元形成的方向性由式(1)進(jìn)行表示，其中，θ和分別為輻射波束的俯仰角和方位角；為超材料單元3的散射遠(yuǎn)場；k為自由空間的波數(shù)；D為單元的寬度；每個(gè)單元的相位為通常為0°或180°。那么就可以計(jì)算得到反射式天線所形成的方向圖。

可編程基板通過FPGA控制板實(shí)現(xiàn)，具有成本低、易于集成、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)雷達(dá)輻射波束的需求，由電磁逆算法計(jì)算得到的“0”、“1”超材料表面的編碼通過下載線寫入到FPGA的控制模塊中，為保證FPGA具有足夠的帶載能力，通過整流模塊整流，使其具有足夠的驅(qū)動(dòng)電流，從而控制有源二極管器件的兩端電壓，達(dá)到實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)二極管通斷控制的目的，從而構(gòu)成相位差為180°的兩種不同工作狀態(tài)。

激勵(lì)喇叭源的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2a至圖2c所示，采用圓錐喇叭，設(shè)計(jì)在10GHz頻點(diǎn)發(fā)射平面波。由相位容差(δ不應(yīng)大于0.32λ)可確定圓錐頂角大小θ＝2arctan(a/2L)＝2arctan(L/(L+δ))，其中a為喇叭口面直徑，L為喇叭輻射長度。根據(jù)中心頻點(diǎn)可確定圓錐喇叭其他參數(shù)，實(shí)現(xiàn)喇叭激勵(lì)輸出平面波效果。

天線支架結(jié)構(gòu)如圖4a和圖4b所示，反射板固定在支架一端，喇叭激勵(lì)源1在支架另一端，其位置和俯仰角可變。距離反射板的距離在范圍120mm～320mm內(nèi)可調(diào)，高度 變化范圍為100mm～300mm，且喇叭能夠在60°的角度內(nèi)旋轉(zhuǎn)，具有較高的可調(diào)節(jié)性。

如圖8所示，本發(fā)明的工作過程是：首先由喇叭激勵(lì)源發(fā)出平面波到“0”、“1”超材料表面，根據(jù)不同工作狀態(tài)的超材料表面實(shí)現(xiàn)操縱電磁波的特性，通過可編程基板將計(jì)算得出的不同編碼序列表述到“0”、“1”超材料表面，實(shí)現(xiàn)了不同電磁波束的控制和掃描，可形成單波束、雙波束和四波束等輻射波束。

結(jié)合本發(fā)明方法的反射式可編程天線陣列，由20×20個(gè)有源天線單元組成，反射板整體的大小200×200×1.8(mm)，工作頻段為9.7-10.2GHz，通過PC將編碼序列寫入到可編程基板(FPGA)中，實(shí)現(xiàn)通過有源二極管器件的通斷控制超材料表面“0”、“1”分布，實(shí)現(xiàn)了波束掃描控制和單波束、雙波束和多波束快速切換。

圖6a和圖6b、圖7a和圖7b分別為本發(fā)明的實(shí)例在10GHz頻率點(diǎn)測試的單波束和雙波束方向圖。根據(jù)雷達(dá)波束方向需求，通過電磁逆運(yùn)算方法，快速設(shè)計(jì)出超表面所需要的20×20每個(gè)單元的編碼序列，由PC端通過對(duì)應(yīng)的FPGA控制板寫入特定方向角度的編碼程序，將單波束的0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°編碼序列分布寫入FPGA基板的芯片中。測試了整個(gè)反射式天線的單波束性能(增益和方向圖)。改變超材料表面的編碼排布，激勵(lì)喇叭源的平面波由超表面反射后，生成了精確的高增益、低旁瓣的輻射波束，達(dá)到了控制波束掃描的功能，滿足了雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)天線不同輻射波束的要求。對(duì)多波束掃描通過寫入編碼序列對(duì)輻射角度為-45°、30°的雙波束輻射進(jìn)行了測試，結(jié)果表明在相應(yīng)角度產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的波束，通過改變超表面的編碼實(shí)現(xiàn)操控電磁波束的輻射，實(shí)現(xiàn)千變?nèi)f化的波束掃描功能。

總之，本發(fā)明公開了一種反射式天線陣列，該反射式天線陣列包括多個(gè)有源天線單元、可編程基板、激勵(lì)源喇叭天線和金屬支架。所述有源天線單元由有源二極管和超材料單元結(jié)合而成，通過改變單元尺寸可控制其工作頻段。所述可編程基板(FPGA)在反射面背板，通過400針直插式端子與各個(gè)天線單元相連接，控制有源天線單元上每個(gè)二極管的通斷，達(dá)到控制天線反射面上單元的工作狀態(tài)。所述激勵(lì)喇叭源為圓錐喇叭，可產(chǎn)生寬頻帶的平面波，通過喇叭激勵(lì)源的激勵(lì)，天線陣列工作在不同的輻射模式，產(chǎn)生不同角度和不同個(gè)數(shù)的輻射波束，滿足雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)波束不同的需求。金屬支架用以固定激勵(lì)喇叭和天線反射板，可調(diào)節(jié)激勵(lì)喇叭源和反射面的方位，實(shí)現(xiàn)最佳的反射波束輸出。

以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式中的 具體細(xì)節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行多種等同變換，這些等同變換均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。另外需要說明的是，在上述具體實(shí)施方式中所描述的各個(gè)具體技術(shù)特征，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進(jìn)行組合。為了避免不必要的重復(fù)，本發(fā)明對(duì)各種可能的組合方式不再另行說明。