CN105789877B - 基于超表面的四波束微带透射阵天线及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微带透射阵天线技术领域，具体为一种基于超表面的四波束微带透射阵天线及其设计方法。本发明设计的四波束微带透射阵天线，由喇叭馈源和超表面微带透射阵组成；其中，喇叭馈源由波导和喇叭开口构成；设喇叭开口与超表面微带阵的距离为F，超表面微带阵的口径为D*D；超表面微带阵由N*N个超表面透射单元组成；所述超表面透射单元由3层完全相同的复合金属结构以及高度为h的2层介质板组成，所述复合金属结构由I型结构和左右完全对称的金属贴片构成，用于在同一平面内形成两个透射模式耦合，从而降低单元谐振频率，增加相位响应斜率和相位积累。本发明设计的四波束微带透射阵天线的优点在于，副瓣低，增益高，波束均衡，而且重量轻、成本低和易组装集成。

Description

基于超表面的四波束微带透射阵天线及其设计方法

技术领域

本发明属于微带透射阵天线技术领域，具体涉及一种四波束微带透射阵天线及其设计方法。

背景技术

多波束天线具有波束数目、形状易灵活控制，易实现波束快速扫描等优点，在电子对抗、卫星通信、多目标雷达系统以及多通道智能通信中具有广泛应用。传统多波束天线的合成方法基于喇叭馈源阵或大相控阵来实现，往往依赖于多端口多波束形成馈电网络，制作和空间应用复杂且损耗大、成本高。已有的多波束技术有透镜式、反射面式以及相控阵式三类。微带阵天线集合了阵列天线和抛物面反射器的特性，具有剖面低、尺寸小、重量轻以及成本低等诸多优点。本发明率先基于交替投影法将超表面技术应用于四波束微带透射阵天线中，获得了低副瓣、高增益以及均衡波束等有益效果且重量轻、成本低和易组装集成。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低副瓣、高增益，且重量轻、成本低和易组装集成的四波束微带透射阵天线及其设计方法。

本发明提供的四波束微带透射阵天线，是基于超表面技术的，其拓扑结构如图6所示。具体由喇叭馈源和超表面微带透射阵组成；其中，喇叭馈源由波导和喇叭开口构成；（实施例中，波导为标准波导BJ-100，长为a=22.86 mm，宽为b=10.16 mm，喇叭开口口径为A*B=44*24 mm²，整体高度为L=30 mm，a、b为标准X波段波导的口径尺寸，A，B和L根据阻抗匹配以及天线口径尺寸优化确定）。喇叭开口与超表面微带阵的距离为F，超表面微带阵的口径为D*D；超表面微带阵由N*N个超表面透射单元组成。

本发明中，为有效形成四个空间波束且具有一定的增益和低副瓣，透射阵的口径D*D应大于8λ₀，其中λ₀为工作频率处的自由空间波长；为形成对称均匀波束，N一般为奇数且由N=D/p确定，这里p为单元周期长度。

本发明中，所述超表面透射单元由3层完全相同的复合金属结构以及高度为h的2层介质板组成，如图1所示，其中，复合金属结构由I型结构和左右完全对称的金属贴片相互嵌套构成，用于在同一平面内形成两个透射模式耦合，从而降低单元谐振频率，增加相位响应斜率和相位积累。I型结构为上下两个对称水平金属条和竖直金属条构成的类似于字母“I”的金属结构，其中两个贴片嵌套在两个水平金属条之间且关于竖直金属条呈轴对称关系。

图1所示的超表面微带透射阵单元，在实施例中，其结构参数为p _x=p _y=10mm，w ₁=0.8mm，w ₂=0.5mm，w ₃=4.05 mm，d ₁=d ₂=0.3 mm，d ₃=8 mm，这里p _x、p _y分别为单元在x、y方向的周期长度，w ₁为竖直金属条的宽度，w ₂为水平金属条的宽度，w ₃为贴片的宽度，d ₁、d ₂分别为贴片与水平金属条、竖直金属条之间的间距，d ₃为贴片的高度。其电磁特性分析如下：

如图2所示，超表面单元在d ₃=5.9mm时明显存在3个透射峰，其透射通带在整个7~12GHz范围内均大于0.75，具有很宽的透射带宽。同时还可以看出，改变d ₃可以显著改变单元的谐振频率从而改变单元的透射相位和幅度。当d ₃由1.7 mm变化到8 mm时，单元的透射相位在9.6 GHz处由8°连续变化到-350°，相位覆盖范围接近于360°且幅度均大于0.62。如图3所示，超表面透射单元除在d ₃的上下边界处透射幅度较低外，其余情形下均大于0.83，具有很高的透射幅度。因此本发明透射单元同时满足了高效透射阵的幅度和相位要求。如图4所示，与I型结构透射单元相比本发明透射单元具有工作频率低、单元更加电小以及相位响应变化率更陡峭等优异电磁特性。

如图5所示，超表面单元随着d ₁的增加透射频谱通带高端不断向高频移动，通带低端不断向低频移动，幅度带宽逐渐展宽，而相位变化逐渐放缓，相位响应陡峭度变平；超表面单元随着d ₂的增加透射通带低端略向低频移动，而通带高端几乎保持不变，幅度带宽略展宽，相位响应略变陡峭。

本发明提出的上述超表面四波束透射阵天线设计方法，主要步骤如下。

第1步：根据交替投影算法优化得到单馈四波束透射阵天线的口径相位分布。

首先要选取和确定四波束透射阵的一些初始参数，包括馈源位置F，微带透射阵的中心工作频率f ₀，口径大小D与单元个数N=D/p以及对称四波束透射阵笔状波束的空间俯仰角θ、方位角φ。这里喇叭馈源照射到各阵元上的强度随角度呈现变化，其中q为喇叭的Q值。

通常，单馈多波束微带阵合成方法主要有几何分区方法、口径场叠加方法以及交替投影算法。几何分区法将天线口径分成N个子阵，每个子阵在预定方向产生定向波束且只能截获到馈源1/N的功率，因此该方法合成的多波束只有1/N的口径效率；口径场叠加法将某个单元对所有波束的场幅度和相位贡献进行叠加，单个馈源激励下产生空间N波束时微带阵口径上的切向场分量可表示为：

（1）

这里，，分别表示第i个单元产生第n个波束需要满足的幅度和相位，由馈源和阵元位置决定且相对固定，不随波束方向变化。由于，幅度要求很难满足，因此基于该方法合成的多波束性能下降，如副瓣电平升高，主瓣增益下降等。

本发明率先采用交替投影算法对微带阵口径面上的透射相位分布进行优化，其基本原理是通过投影迭代寻找两个集合的子集，其中，集合A为透射阵天线所有可能辐射方向图集，集合B为透射阵天线满足条件限制的理想辐射方向图集，它们使得透射阵辐射方向图分别满足：

(2)

(3)

其中，，为角坐标，和为阵元x，y方向坐标，I为阵元位置的集合，是阵元的激励幅度，和为理想辐射方向图的上、下界函数。

本发明四波束透射阵中，，分别代表主波束和3dB波瓣宽度。为获得主波束区域外的低副瓣，通过迭代使得适应度函数趋于一个稳定值，此时迭代收敛，所得相位分布为最优分布。迭代过程中利用理想辐射方向图的上下界和适应度函数不断修正透射阵天线的方向图，而方向图又可以投影到阵元的透射幅度和相位，从而不断对口径面上阵元的幅度和相位不断纠正，达到一个闭环优化过程，获得天线最佳电气性能。

第2步：根据口径相位分布获得单馈四波束透射阵的拓扑结构。

首先，确定透射阵单元结构并对其结构参数进行扫描分析，找到在工作频率处能同时满足幅度和相位要求的参数调谐方案（在实施例中，对于本发明超表面单元，调谐d ₃可以同时满足幅度和相位要求，其它结构参数确定为p _x=p _y=10 mm，w ₁=0.8 mm，w ₂=0.5 mm，w ₃=4.05 mm，d ₁=d ₂=0.3 mm，其中p _x，p _y根据单元工作频率确定，w ₃，d ₁和d ₂根据透射相位覆盖范围和幅度要求确定，详见图2、3、4和5，w ₁和w ₂对频谱响应影响很小，可具体根据单元结构布局确定）；其次，根据参数扫描结果和寻根算法在商业仿真软件里面进行自动化透射阵元结构建模，确定各阵元的结构参数（本发明为d ₃）。

第3步：微调喇叭馈源的位置获得最佳辐射增益、口径效率。

由于喇叭馈源并非理想点源，其相位辐射中心并非口径中心，需要采用商业仿真软件对单馈四波束透射阵性能进行仿真并微调喇叭口径与超表面微带阵的距离F来补偿辐射相位中心引起的误差，获得最佳天线增益和口径效率。

本发明设计的四波束微带透射阵天线的优点在于，副瓣低，增益高，波束均衡，而且重量轻、成本低和易组装集成。

附图说明

图1为超表面微带透射阵单元结构与尺寸示意图，其中，（a）为单元结构，（b）为单元尺寸示意图。其结构参数为p _x=p _y=10mm，w ₁=0.8mm，w ₂=0.5mm，w ₃=4.05 mm，d ₁=d ₂=0.3 mm和d ₃=8 mm。

图2为超表面透射阵单元的透射幅度、相位曲线。

图3为超表面透射阵单元在9.6 GHz处的透射幅度、相位随尺寸d ₃的变化曲线。

图4为去掉贴片时超表面透射阵单元的透射幅度、相位曲线。

图5为超表面透射阵单元的透射幅度、相位随d ₁和d ₂变化的曲线。

图6为单馈四波束微带透射阵天线的拓扑结构。

图7为单馈四波束微带透射阵天线的理论辐射方向图（左）与口径相位分布（右）。

图8为单馈四波束微带透射阵天线的仿真辐射方向图。其中，（a）为增益；（b）为功率（线性值）。

图9为单馈四波束微带透射阵天线的仿真增益曲线。

具体实施方式

四波束透射阵天线实施例：

如图6所示，波导的长为a=22.86 mm，宽为b=10.16 mm，喇叭开口口径为A*B=44*24mm²，整体高度为L=30 mm，a、b为标准X波段波导BJ-100的口径尺寸，A，B和L根据阻抗匹配以及天线口径尺寸优化确定。

其中，超表面微带透射阵单元的结构参数为p _x=p _y=10mm，w ₁=0.8mm，w ₂=0.5mm，w ₃=4.05 mm，d ₁=d ₂=0.3 mm和d ₃=8 mm。

本发明透射阵天线的中心工作频率为f ₀=9.6 GHz，N=25，D=250 mm，F=150mm，四个波束的俯仰角均为θ=40°，方位角分别为φ ₁=0°，φ ₂=90°，φ ₃=180°和φ ₄=270°。

为验证本发明设计方法的正确性，图7给出了四波束透射阵天线在9.6 GHz处的理论优化辐射方向图以及口径相位分布，可以看出天线在（φ ₁=0°，θ=40°），（φ ₁=90°，θ=40°），（φ ₁=180°，θ=40°）以及（φ ₁=270°，θ=40°）方向上明显形成四个笔形针状波束，且口径相位分布关于x、y轴呈轴对称分布。

图8给出了四波束微带天线阵在四个典型频率处的仿真辐射方向图，可以看出天线在9.4，9.6，10和10.5GHz四个频率处均有效形成了四个笔形波束，在中心工作频率9.6GHz处峰值增益达到了18.8dB，口径效率计算为=38.3%，同时从辐射功率还可以看出，四个波束幅度比较均一。如图9所示，微带透射阵天线的增益在9.4~10.5GHz范围内波动较小，增益变化小于1dB，具有很宽的增益带宽，1dB增益带宽达到1.1GHz。

Claims (3)

1.一种基于超表面的四波束微带透射阵天线，其特征在于，由喇叭馈源和超表面微带透射阵组成；其中，喇叭馈源由波导和喇叭开口构成；设喇叭开口与超表面微带阵的距离为F，超表面微带阵的口径为D*D；超表面微带阵由N*N个超表面透射单元组成；其中：

所述超表面微带阵的口径D*D大于8λ₀，λ₀为工作频率处的自由空间波长；N为奇数且由N=D/p确定，这里p为超表面透射单元周期长度；

所述超表面透射单元由3层完全相同的复合金属结构以及高度分别为h的2层介质板组成，所述复合金属结构由I型结构和左右完全对称的金属贴片相互嵌套构成，用于在同一平面内形成两个透射模式耦合；所述I型结构为上下两个对称水平金属条和竖直金属条构成的类似于字母“I”的金属结构，其中两个贴片嵌套在两个水平金属条之间且关于竖直金属条呈轴对称关系。

2.根据权利要求1所述的基于超表面的四波束微带透射阵天线，其特征在于，所述波导为标准波导BJ-100，长为a=22.86 mm，宽为b=10.16 mm，喇叭开口的口径为A*B=44*24 mm²，波导和喇叭开口构成的喇叭馈源整体高度为L=30 mm，a、b为标准X波段波导的口径尺寸，A，B和L根据阻抗匹配以及天线口径尺寸确定；所述超表面透射单元，其结构参数为p _x=p _y=10mm，w ₁=0.8mm，w ₂=0.5mm，w ₃=4.05 mm，d ₁=d ₂=0.3 mm和d ₃=8 mm；这里p _x、p _y分别为超表面透射单元在x、y方向的周期长度，w ₁为竖直金属条的宽度，w ₂为水平金属条的宽度，w ₃为贴片的宽度，d ₁、d ₂分别为贴片与水平金属条、竖直金属条之间的间距，d ₃为贴片的高度。

3.一种如权利要求1所述的基于超表面的四波束微带透射阵天线的设计方法，其特征在于，具体步骤如下：

第1步：根据交替投影算法优化得到单馈四波束透射阵天线的口径相位分布

首先，选取和确定四波束透射阵的一些初始参数，包括馈源位置F，微带透射阵的中心工作频率f ₀，口径大小D与超表面透射单元个数N=D/p以及对称四波束透射阵笔状波束的空间俯仰角θ、方位角φ，这里喇叭馈源照射到各超表面透射单元上的强度随角度呈现变化，其中q为喇叭的Q值；

采用交替投影算法对微带阵口径面上的透射相位分布进行优化，其基本原理是通过投影迭代寻找两个集合的子集，其中，集合A为透射阵天线所有可能辐射方向图集，集合B为透射阵天线满足条件限制的理想辐射方向图集，它们使得透射阵辐射方向图分别满足：

(2)

(3)

其中，，为角坐标，和为超表面透射单元x，y方向坐标，I为超表面透射单元位置的集合，是超表面透射单元的激励幅度，和为理想辐射方向图的上、下界函数；

为获得主波束区域外的低副瓣，通过迭代使得适应度函数：

趋于一个稳定值，此时迭代收敛，所得相位分布为最优分布；

第2步：根据口径相位分布获得单馈四波束透射阵的拓扑结构

首先，确定超表面透射单元结构并对其结构参数进行扫描分析，找到在工作频率处能同时满足幅度和相位要求的参数调谐方案；其次，根据参数扫描结果和寻根算法在商业仿真软件里面进行自动化超表面透射单元结构建模，确定各超表面透射单元的结构参数；

第3步：微调喇叭馈源的位置获得最佳辐射增益、口径效率

由于喇叭馈源的相位辐射中心并非口径中心，需要采用商业仿真软件对单馈四波束透射阵性能进行仿真并微调喇叭口径与超表面微带阵的距离F来补偿辐射相位中心引起的误差，获得最佳天线增益和口径效率。