一種電控波束掃描反射陣天線及其波束掃描方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)、雷達(dá)技術(shù)、成像技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可有效降低成 本的電控波束掃描陣列天線及其波束掃描方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 具有波束掃描的陣列天線在現(xiàn)代無線通訊技術(shù)，雷達(dá)系統(tǒng)及成像領(lǐng)域扮演這越發(fā) 重要的角色。傳統(tǒng)的相控陣天線可利用對(duì)陣列中各個(gè)單元的幅值及相位獨(dú)立的進(jìn)行控制， 從而可以快速靈活的進(jìn)行波束的賦形及掃描，具有多目標(biāo)搜尋、高速率跟蹤等獨(dú)特的優(yōu)勢， 在領(lǐng)域內(nèi)具有重要的地位。但對(duì)于具有大量單元的陣列，必然需要大量的收發(fā)組件和復(fù)雜 的饋電網(wǎng)絡(luò)，這意味著昂貴的制作成本、笨拙的重量及高損耗。這些缺點(diǎn)使其往往局限于軍 事領(lǐng)域，而在民用領(lǐng)域很少涉及。
[0003] 平面反射陣天線在此基礎(chǔ)上應(yīng)運(yùn)而生，其主要結(jié)構(gòu)由初級(jí)饋源及加載大量周期諧 振單元的平面陣面組成。其工作原理可如下解釋：初級(jí)饋源對(duì)陣面進(jìn)行空間饋電，通過控制 每個(gè)單元的尺寸或者旋轉(zhuǎn)角度可控制其反射的電場相位值，彌補(bǔ)初級(jí)饋源照射到陣面上時(shí) 不同波程差導(dǎo)致的相位差，從而在指定方向上實(shí)現(xiàn)波束的聚焦。平面反射陣天線具有結(jié)構(gòu) 簡單、易加工、低損耗、低成本等特點(diǎn)在某些領(lǐng)域已取代傳統(tǒng)相控陣天線。但在實(shí)現(xiàn)波束掃 描這一難點(diǎn)上，國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)投入了大量的資源對(duì)其進(jìn)行研宄，但并沒有顯著性的突破。
[0004] 1995年，J. Huang等人首次提出了采用微機(jī)結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)輻射貼片的旋轉(zhuǎn)角度以實(shí) 現(xiàn)陣面相位的變化，實(shí)現(xiàn)波束的掃描，但該方法需用機(jī)械進(jìn)行控制，故其波束掃描反應(yīng)速度 慢而笨拙。2006年，M. R. Chaharmir等人提出一種光控電掃描反射陣天線，通過控制各個(gè)單 元后面對(duì)應(yīng)光源的強(qiáng)弱以控制半導(dǎo)體中的載流子濃度，從而改變單元的反射相位值，但其 控制部件加工要求高，介質(zhì)材料昂貴，相位值不夠精準(zhǔn)等缺點(diǎn)限制著其應(yīng)用。
[0005] 隨著半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展，高性能的變?nèi)荻O管、MEMS等逐漸被應(yīng)用與調(diào)節(jié)反 射陣單元設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)相位的調(diào)節(jié)。2010年，L Boccia等提出矩形貼片單元加載可變電容的 方法實(shí)現(xiàn)波束掃描，并對(duì)單元的相位特性和損耗進(jìn)行了比較系統(tǒng)的分析。但單元相移量不 足360度，變?nèi)荻O管的內(nèi)阻在高頻工作時(shí)的高損耗并沒有得到有效的解決，使得陣列效 率低，波束指向偏離，且每個(gè)單元都需要額外的偏置電路對(duì)其進(jìn)行相位的控制，由此加大陣 列的復(fù)雜度。
[0006] 2010年，S. R. Rengarajan設(shè)計(jì)了通過改變初級(jí)饋源的位置以實(shí)現(xiàn)波束的掃描，但 其需要通過機(jī)械的方式控制移動(dòng)饋源的位置，故必然導(dǎo)致穩(wěn)定性下降，性能無法與電控波 束掃描天線相比。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是提供一種低成本、低損耗的電控波束掃描反射陣天線。該天線具 有結(jié)構(gòu)簡單、損耗小且加工制作成本低的特點(diǎn)。本發(fā)明可以用于避免傳統(tǒng)相控陣中饋電網(wǎng) 絡(luò)帶來的損耗，也可降低傳統(tǒng)相控陣天線中因昂貴T/R組件所導(dǎo)致的高成本。
[0008] 本發(fā)明具體采用如下技術(shù)方案：
[0009] -種電控波束掃描反射陣天線，其結(jié)構(gòu)如圖1、2所示，主要包括第一饋源103、第 二饋源104及反射陣，所述反射陣包括介質(zhì)層102、位于介質(zhì)層102下表面的接地金屬板 105及位于介質(zhì)層102上表面排布的由多個(gè)反射單元101構(gòu)成的反射陣面；通過控制第一 饋源103的激勵(lì)幅值A(chǔ) 1和第二饋源104的激勵(lì)幅值A(chǔ)2的比值即激勵(lì)幅值比A1A2，可改變 所述兩個(gè)饋源形成的總電場到達(dá)所述返射陣面上的相位延遲，從而控制所述反射陣面的波 束掃描角度；所述多個(gè)反射單元的形狀一致、尺寸不同，通過調(diào)整各個(gè)反射單元的尺寸可補(bǔ) 償整個(gè)反射陣面的相位延遲，實(shí)現(xiàn)所述反射陣面波束的聚焦。
[0010] 進(jìn)一步的，所述反射單元的形狀可以為矩形、方形、圓形、三角形；相鄰反射單元的 中心間距為中心頻率對(duì)應(yīng)的二分之一波導(dǎo)波長。
[0011] 本發(fā)明還提供一種實(shí)現(xiàn)上述電控波束掃描反射陣天線的波束掃描方法，包括以下 步驟：
[0012] 步驟1.將反射陣面的多個(gè)反射單元101按行進(jìn)行分組，每一行均與所述第一饋源 103和第二饋源104的中心連線平行，如圖2所示；
[0013] 步驟2.從步驟1劃分的多組反射單元中選取一行反射單元記為反射單元組S = [S1，…，Si,…]，其中51是該行第i個(gè)反射單元，令該行靠近第一饋源103-端的反射單 元S 1的中心為坐標(biāo)零點(diǎn)并指向該行另一端的反射單元構(gòu)建X坐標(biāo)軸；
[0014] 步驟3.按以下三種饋電方式分別計(jì)算反射單元組S中每個(gè)單元的相位值：
[0015] (1)第一饋源103對(duì)整個(gè)反射陣面進(jìn)行饋電，第二饋源104不饋電；
[0016] (2)第二饋源104對(duì)整個(gè)反射陣面進(jìn)行饋電，第一饋源103不饋電；
[0017] (3)第一饋源103與第二饋源104等幅值激勵(lì)對(duì)整個(gè)反射陣面進(jìn)行饋電；
[0018] 第i個(gè)單元的相位值仍具體通過以下方程計(jì)算：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種電控波束掃描反射陣天線，主要包括第一饋源（103)、第二饋源（104)及反射 陣，所述反射陣包括介質(zhì)層（102)、位于介質(zhì)層（102)下表面的接地金屬板（105)及位于介 質(zhì)層（102)上表面排布的由多個(gè)反射單元（101)構(gòu)成的反射陣面，所述多個(gè)反射單元（101) 的形狀一致、尺寸不同，通過調(diào)整各個(gè)反射單元（101)的尺寸可補(bǔ)償整個(gè)反射陣面的相位 延遲，實(shí)現(xiàn)所述反射陣面波束的聚焦，其特征在于，通過控制第一饋源（103)的激勵(lì)幅值A(chǔ): 和第二饋源（104)的激勵(lì)幅值A(chǔ)2的比值即激勵(lì)幅值比A/A2，可改變所述兩個(gè)饋源形成的總 電場到達(dá)所述返射陣面上的相位延遲，從而控制所述反射陣面的波束掃描角度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電控波束掃描反射陣天線，其特征在于，所述反射單元（101) 的形狀為矩形、圓形、三角形中的一種。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電控波束掃描反射陣天線，其特征在于，所述反射單元（101) 的形狀為方形，相鄰反射單元的中心間距為中心頻率對(duì)應(yīng)的二分之一波導(dǎo)波長。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電控波束掃描反射陣天線，其特征在于，所述介質(zhì)層（102)的 介電常數(shù)為2. 2,厚度為3mm〇
5. -種用于權(quán)利要求1所述的電控波束掃描反射陣天線的波束掃描方法，包括以下步 驟： 步驟1.將反射陣面的多個(gè)反射單元（101)按行進(jìn)行分組，每一行均與所述第一饋源 (103)和第二饋源（104)的中心連線平行； 步驟2.從步驟1劃分的多組反射單元中選取一行反射單元記為反射單元組S= [Si，…，Sp…]，其中51是該行第i個(gè)反射單元，令該行靠近第一饋源（103) -端的反射 單元Si的中心為坐標(biāo)零點(diǎn)并指向該行另一端構(gòu)建x坐標(biāo)軸； 步驟3.按以下三種饋電方式分別計(jì)算反射單元組S中每個(gè)單元的相位值： (1) 第一饋源（103)對(duì)整個(gè)反射陣面進(jìn)行饋電，第二饋源（104)不饋電； (2) 第二饋源（104)對(duì)整個(gè)反射陣面進(jìn)行饋電，第一饋源（103)不饋電； (3) 第一饋源（103)與第二饋源（104)等幅值激勵(lì)對(duì)整個(gè)反射陣面進(jìn)行饋電； 第i個(gè)單元的相位值1具體通過以下方程計(jì)算：
其中，別為第一饋源（103)及第二饋源（104)的激勵(lì)電平，k為工作頻率下 的波長數(shù)；rn為第一饋源（103)到第i個(gè)單元的距離；r2i為第二饋源（104)到第i個(gè)單元 的距離； 以相位值為y軸，結(jié)合步驟2所得x軸構(gòu)建x-o-y平面；針對(duì)每一種饋電方式，在所 述x-o-y平面上會(huì)有一組離散點(diǎn)，將這些離散點(diǎn)擬合可得所述整行反射單元組S的相位分 布曲線；由此，可獲得所述反射單元組S在三種饋電方式下對(duì)應(yīng)的三條相位分布曲線yi= fjx)、y2=f2(x)、y3=f3(x);以第一種饋電方式所得的相位分布方程y!=fjx)為基準(zhǔn)曲 線，對(duì)剩余兩條曲線做以下處理得兩條新的相位變化曲線Ay2、Ay3:Ay2=f2(x) -fjx)， Ay3=f3(x) -fjx);方程Ay2及厶又3均為直線，其二者的斜率分另1」為1^2、1^，根據(jù)以下公 式可求得上述（2)、（3)兩種饋電方式下該反射陣天線的波速掃描角度0 2、03: A y2= k 2sin 0 2, A y3= k 3sin 0 3 由此得該反射陣天線的可掃描角度范圍為0~02; 步驟4.按步驟3所述方法，除步驟3所述三種饋電方式所對(duì)應(yīng)的第一饋源（103)與第 二饋源（104)的激勵(lì)幅值比外，在其他的激勵(lì)幅值比情況下，即第一饋源（103)與第二饋源 (104)以不同激勵(lì)幅值同時(shí)對(duì)反射陣面饋電時(shí)，均可通過上述方法以方程為基 準(zhǔn)曲線得相位變化曲線△y，最終獲得在當(dāng)前激勵(lì)幅值比4/4時(shí)該反射陣天線的波束掃描 角度； 由此，按步驟3所述方法通過離散計(jì)算及曲線擬合，可獲得該反射陣天線的波束掃描 角度9與激勵(lì)幅值比Ai/^之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線； 步驟5.針對(duì)實(shí)際應(yīng)用中所需要的波束掃描角度0t，通過步驟4所得的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線 找出其對(duì)應(yīng)的激勵(lì)幅值比，由此調(diào)整第一饋源（103)與第二饋源（104)的激勵(lì)幅值，即可實(shí) 現(xiàn)所述反射陣天線的指定角度波束掃描。
【專利摘要】本發(fā)明公開一種低成本、低損耗、結(jié)構(gòu)簡單的電控波束掃描反射陣天線及其波束掃描方法。本發(fā)明最大的創(chuàng)新點(diǎn)在于該天線采用了兩個(gè)初始饋源對(duì)反射陣面進(jìn)行照射激勵(lì)，通過改變饋源1及饋源2不同的幅值激勵(lì)比以改變總?cè)肷鋱鲈陉嚸娴南辔恢捣植?，從而可?shí)現(xiàn)電控的波束掃描。該天線結(jié)構(gòu)簡單，無需額外的偏置電路，故加工方便，穩(wěn)定性高。該天線只需兩個(gè)初級(jí)饋源既可實(shí)現(xiàn)高增益波束掃描，無需額外的T/R，有效降低了制造成本。本發(fā)明適用于微波、毫米波、太赫茲頻段，可用于無線通信和雷達(dá)系統(tǒng)中。
【IPC分類】H01Q15-14, H01Q3-44, H01Q19-10
【公開號(hào)】CN104779442
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510200825
【發(fā)明人】屈世偉, 吳偉偉, 易歡, 陳龍, 楊仕文, 聶在平
【申請(qǐng)人】電子科技大學(xué)
【公開日】2015年7月15日
【申請(qǐng)日】2015年4月24日