CN106021818B - 一种近场聚焦平面反射阵天线设计方法 - Google Patents

一种近场聚焦平面反射阵天线设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种近场聚焦平面反射阵天线设计方法，主要解决现有技术设计复杂，效率低下的问题。本发明包括用于发射电磁能量的馈源，用于将馈源发出的电磁能量汇聚于空间中指定位置上的平面反射阵列。平面反射阵是由无源反射单元组成的周期性阵列，通过调节每个单元对于入射波的反射相位，使得各个单元的反射波在特定的方向上实现特定相位关系，本发明实现多馈源多焦点的聚焦特性。由于反射阵天线聚焦的设计方法没有复杂的馈电网络，效率较高，同时具有多馈源多焦点等优点，可应用于各类近场聚焦系统中。

Description

一种近场聚焦平面反射阵天线设计方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，更进一步涉及电磁场与微波技术领域中的一种近场聚焦平面反射阵天线的设计方法。本发明设计的天线可以提高无线通信系统中电磁聚焦的效率以及具有多馈源多焦点的聚焦特性。
背景技术
现有的天线聚焦的设计方法有基于平面阵列天线的聚焦方法和微带阵列天线的聚焦方法，具有结构简单、损耗小、成本低，实现大角度电波束扫描的特性等优点，可以广泛地应用于雷达、卫星通信等领域。随着电子无线通信技术的不断发展和完善，雷达和通信系统都期望实现电磁能量的高效率的多馈源多聚焦的特性。但是传统的平面反射阵天线的设计方法效率较低、结构复杂，不能实现多馈源多焦点的聚焦，因此实现高效率的多馈源多焦点的聚焦是非常有意义的。
电子科技大学在其申请的专利“一种近场聚焦平面阵列天线方法”(申请号：CN201410073747X，公开号：CN103825089A)中提出了一种平面阵列天线的聚焦方法。该方法采用金属化移相孔来实现相位补偿，设置基片集成波导并馈网络，补偿范围大、结构简单，天线的效率高，可以完成不同位置的聚焦调节。但是，该方法仍然存在的不足之处是，第一，因该方法采用并馈网络，不能满足简单馈电的需求。第二，该方法使用金属化移相孔来补偿相位，使得损耗增加，不能满足高效率的电磁聚焦。
南京信息工程大学在其申请的专利“微带阵列聚焦天线的设计方法及微带阵列聚焦天线”(申请号：CN201310535355.6，公开号：CN103646126A)中提出了一种考虑单元的耦合效应的方法。该方法将天线单元构成一个阵列作为发射天线，在预期聚焦位置放置一个同发射天线单元相同尺寸的天线作为接收天线构造无线传输系统，设计的天线得到的相位分布满足设计聚焦天线所要求的二次球面波分布，同时提高传输效率，设计出的聚焦天线几乎没有任何旁瓣且具有最佳幅度相位分布，有效聚焦距离显著提高。但是，该方法仍然存在的不足之处是，第一，因该方法馈电复杂，不能满足结构简单的需求。第二，该方法设计的天线单元不可以独立调整，设计的自由度较小，不能实现多馈源多焦点的聚焦。
目前的平面反射阵天线聚焦的设计方法面临着一些问题：其一，不能实现多馈源多焦点的聚焦。其二，馈电复杂、效率较低，造成了一定的损耗。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提出一种近场聚焦的平面反射阵天线设计方法。本发明通过改变反射阵天线单元的补偿相位，实现高效率多馈源多焦点的聚焦特性。
实现本发明的具体思路是：首先确定反射阵天线的单元结构，选取反射阵天线的尺寸及单元间距，然后选择馈源和焦点的位置，将馈源发出的电磁波照射到反射阵天线上，然后按照公式计算每个反射阵天线单元的补偿相位，调节反射阵天线单元的尺寸满足补偿相位，实现预期的高效率的多馈源多焦点的聚焦。
为实现上述目的，本发明的步骤如下：
(1)确定反射阵天线单元的结构：
三个矩形贴片之间按照间距d平行排布在反射阵天线单元上构成三振子单元，中心振子的长度L与伴随振子的单元长度成比例γ；
(2)绘制补偿相位表：
将反射阵天线单元的中心振子L长度在其取值范围内依次进行仿真，得到与各中心振子长度对应的反射相位，将反射相位与其对应的中心振子长度绘制成一个补偿相位表；
(3)确定反射阵天线的尺寸：
在xoy平面上，将反射阵天线单元按照X×Y排布成平面阵列，其中，X表示反射阵单元总的行数，4≤X≤50，Y表示反射阵单元总的列数，4≤Y≤50；
(4)确定馈源位置：
在反射阵天线的近场区中，馈源与反射阵天线法向方向的空间角度小于45度，且馈源到反射阵天线中心的距离小于2D2/λ的范围内，依次选取M个馈源位置，其中，D表示反射阵天线对角线的尺寸，λ表示电磁波在真空中传播的波长，M的取值范围为1≤M≤5；
(5)确定反射电磁波的焦点位置：
在焦点与反射阵天线法向方向的空间角度小于70度，且焦点到反射阵天线中心的距离小于2D2/λ的范围内，依次选取N个反射阵天线反射电磁波的焦点位置，其中，D表示反射阵天线对角线的尺寸，λ表示电磁波在真空中传播的波长，N的取值范围为1≤N≤5；
(6)获得平面反射阵天线各单元的补偿相位：
(6a)利用辐射相位公式，计算馈源照射的电磁波的相位和；
(6b)利用反射相位公式，计算反射阵天线产生的电磁波的焦点的相位和；
(6c)用反射阵天线产生的电磁波的焦点的相位和减去馈源照射的电磁波的相位和，得到平面反射阵天线各单元的补偿相位；
(7)绘制补偿相位与单元位置的关系表：
将平面反射阵天线各个单元中的补偿相位与反射阵天线各个单元位置的对应关系，绘制成补偿相位与单元位置的关系表；
(8)确定反射阵天线单元中心振子的长度：
(8a)从补偿相位与单元位置的关系表中，查找每个反射阵天线单元对应的补偿相位；
(8b)从补偿相位表中，查找与补偿相位对应的反射阵天线单元中心振子的长度；
(9)构造反射阵天线：
按照得到的反射阵天线单元的结构、天线的尺寸、馈源的位置以及单元中心振子的长度，构造平面反射阵天线；
(10)产生馈源照射反射阵天线的定点聚焦：
调节反射阵天线每个反射阵天线单元中心振子的长度，产生馈源照射反射阵天线的定点聚焦。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
第一，由于本发明采用了三振子单元组成反射阵天线，克服了现有技术采用传统设计方法制造的反射阵天线单元结构损耗较大，不能满足高效率的电磁聚焦的缺点，使得本发明具有损耗较小，电磁聚焦效率较高的优点。
第二，本发明通过调节反射阵天线单元尺寸提供补偿相位，实现预先设定的聚焦。克服了现有技术采用传统的设计方法制造的反射阵天线单元的补偿相位不能独立调整，不能得到多馈源多焦点的聚焦，使得本发明具有设计的自由度大，自由调节单元补偿相位的优点，得到多馈源多焦点的聚焦。
第三，本发明没有复杂的馈电网络，克服了现有技术中传统的设计方法馈电复杂的缺点，使得本发明具有结构简单的优点。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明的三振子单元结构示意图；
图3为本发明中反射阵天线所在位置与单元补偿相位的对应关系图；
图4为本发明实施例1中反射阵天线的横截面电场强度示意图；
图5为本发明实施例2中反射阵天线的横截面电场强度示意图；
图6为本发明实施例3中反射阵天线的横截面电场强度示意图；
图7为本发明实施例4中反射阵天线的横截面电场强度示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
参照附图1，对本发明的具体步骤作详细描述。
步骤1，确定反射阵天线单元的结构。
三个矩形贴片之间按照间距d平行排布在反射阵天线单元上构成三振子单元，中心振子的长度L与伴随振子的单元长度成比例γ。
反射阵天线单元贴片间距d的取值范围为5mm≤d≤9mm,反射阵天线单元的中心振子长度L的取值范围为0mm≤L≤60mm,反射阵天线单元的中心振子长度与伴随振子长度的比例系数γ的取值范围为0≤γ≤1。
步骤2，绘制补偿相位表。
将反射阵天线单元的中心振子长度L在其取值范围内依次进行仿真，得到与各中心振子长度对应的反射相位，将反射相位与其对应的中心振子长度绘制成一个补偿相位表。
步骤3，确定反射阵天线的尺寸。
在xoy平面上，将反射阵天线单元按照X×Y排布成平面阵列，其中，X表示反射阵单元总的行数，4≤X≤50，Y表示反射阵单元总的列数，4≤Y≤50。
步骤4，确定馈源位置。
在反射阵天线的近场区中，馈源与反射阵天线法向方向的空间角度小于45度，且馈源到反射阵天线中心的距离小于2D2/λ的范围内，依次选取M个馈源位置，其中，D表示反射阵天线对角线的尺寸，λ表示电磁波在真空中传播的波长，M的取值范围为1≤M≤5。
馈源采用喇叭天线。
步骤5，确定反射电磁波的焦点位置。
在焦点与反射阵天线法向方向的空间角度小于70度，且焦点到反射阵天线中心的距离小于2D2/λ的范围内，依次选取N个反射阵天线反射电磁波的焦点位置，其中，D表示反射阵天线对角线的尺寸，λ表示电磁波在真空中传播的波长，N的取值范围为1≤N≤5。
步骤6，获得平面反射阵天线各单元的补偿相位。
利用下面的辐射相位公式，计算馈源照射的电磁波的相位和：
其中，表示M个馈源照射的电磁波的相位和，(xi,yi)表示反射阵天线中第i个单元的中心坐标，arg表示反正切操作，M表示馈源的总数，Σ表示求和操作，m表示第m个馈源，exp表示以自然对数为底数的指数操作，j表示复数的虚数单位，k0表示电磁波在真空中传播的波束，|·|表示求绝对值操作，fm表示在xoy平面上坐标原点到第m个馈源的距离矢量，ri表示在xoy平面上坐标原点到第i个单元中心的距离矢量。
利用下面的反射相位公式，计算反射阵天线产生的电磁波的焦点的相位和：
其中，表示产生的N个反射阵天线反射出的电磁波的焦点的相位和，(xi,yi)表示反射阵天线中第i个单元的中心坐标,arg表示反正切的操作，N表示反射阵天线反射出的电磁波的焦点总数，Σ表示求和操作，n表示第n个反射阵天线反射出的焦点，exp表示以自然对数为底数的指数操作，j表示复数的虚数单位，k0表示电磁波在真空中传播的波束，|·|表示求绝对值操作，dn表示在xoy平面上坐标原点到第n个焦点的距离矢量，ri表示在xoy平面上坐标原点到第i个单元中心的距离矢量。
用反射阵天线产生的电磁波的焦点的相位和减去馈源照射的电磁波的相位和，得到平面反射阵天线各单元的补偿相位。
步骤7，绘制补偿相位与单元位置的关系表。
将平面反射阵天线各个单元中的补偿相位与反射阵天线各个单元位置的对应关系，绘制成补偿相位与单元位置的关系表。
步骤8，确定反射阵天线单元中心振子的长度。
从补偿相位与单元位置的关系表中，查找每个反射阵天线单元对应的补偿相位。
从补偿相位表中，查找与补偿相位对应的反射阵天线单元中心振子的长度。
步骤9，构造反射阵天线。
按照得到的反射阵天线单元的结构、天线的尺寸、馈源的位置以及单元中心振子的长度，构造平面反射阵天线。
步骤10，产生馈源照射反射阵天线的定点聚焦。
调节反射阵天线每个反射阵天线单元中心振子的长度，产生馈源照射反射阵天线的定点聚焦。
定点聚焦是指反射阵天线反射出的电磁波的多个焦点。
参照附图2，对本发明采用的三振子单元作进一步的描述。
图2是本发明的三振子单元结构示意图，该单元由三个距形金属贴片平行排列且附着在介质板的上表面组成，每个距形金属贴片采用间隔排列的方式。反射阵天线采用单层介质板，介质板位于金属地板上方，中间介质为空气。图2(a)是三振子单元的俯视图，图2(a)中三振子单元尺寸为D＝25mm，中心振子和伴随振子的宽度ws＝wm＝2mm，中心振子和伴随振子长度的比例系数γ＝0.6，各振子之间的间距d＝6.7mm，三振子单元的中心振子长度L的取值范围为0mm≤L≤60mm。图2(b)是三振子单元结构的侧视图，图2(a)中介质板的厚度为t＝1mm，相对介电常数为εr＝2.65，介质板和金属地板之间的距离T＝10mm。
参照附图3，对本发明中反射阵天线所在位置与单元补偿相位的关系作进一步的描述。
图3是本发明的反射阵天线所在位置与单元补偿相位的对应关系图，其中，反射阵天线在xoy平面上，左下角位于坐标原点，M表示馈源的总数，N表示反射阵天线反射出的电磁波的焦点总数，fm表示在xoy平面上坐标原点到第m个馈源的距离矢量，dn表示在xoy平面上坐标原点到第n个焦点的距离矢量，ri表示在xoy平面上坐标原点到第i个单元中心的距离矢量，dm-ri表示馈源到单元中心的距离矢量，dn-ri表示单元中心到焦点的距离矢量。
本发明的实施例1说明用一个馈源进行馈电产生一个焦点，馈源中心的工作频率设定为2.45GHz，馈电相位中心位置坐标位于(0,0,1)m处，设定的焦点坐标为(1,0,2)m，介质基板上表面蚀刻21×21个周期相同的三振子单元，天线尺寸大小1.4m×1.4m。根据辐射场公式和反射场公式可计算每个单元位置处的补偿相位，得到反射阵天线各单元对应的补偿相位关系图4(a)，图4(a)中横坐标和纵坐标代表反射阵天线单元的中心的坐标，取值范围均为-0.8m—0.8m，颜色的深浅表示补偿相位的大小。从图4(a)中得到反射阵各单元对应的补偿相位，按照补偿相位表确定每个反射阵单元中心振子的长度，组成反射阵天线1。对反射阵天线1进行仿真得出焦点所在平面的电场强度示意图4(b)，图4(b)中颜色的深浅代表场强的强弱，场强最大值点为焦点即图中有一个焦点。
本发明的实施例2说明用两个馈源进行馈电产生一个焦点，馈源中心的工作频率设定为2.45GHz，馈电相位中心位置坐标分别为(0,-0.5,0.5)m和(0,0.5,0.5)m，设定的焦点坐标为(0,0,1)m，介质基板上表面蚀刻21×21个周期相同的三振子单元，天线尺寸大小1.4m×1.4m。根据辐射场公式和反射场公式可计算每个单元位置处的补偿相位，得到反射阵天线各单元对应的补偿相位关系图5(a)，图5(a)中横坐标和纵坐标代表反射阵天线单元的中心的坐标，取值范围均为-0.8m—0.8m，颜色的深浅表示补偿相位的大小。从图5(a)中得到反射阵各单元对应的补偿相位，按照补偿相位表确定每个反射阵单元中心振子的长度，组成反射阵天线2。对反射阵天线2进行仿真得出焦点所在平面的电场强度示意图5(b)，图5(b)中颜色的深浅代表场强的强弱，场强最大值点为焦点即图中有一个焦点。
本发明的实施例3说明使用一个馈源进行馈电产生两个焦点，馈源中心的工作频率设定为2.45GHz，馈电相位中心位置坐标为(0,0,0.5)m，设定的焦点坐标分别为(0,-1,1)m和(0,1,1)m，介质基板上表面蚀刻21×21个周期相同的三振子单元，天线尺寸大小1.4m×1.4m。根据辐射场公式和反射场公式可计算每个单元位置处的补偿相位，得到反射阵天线各单元对应的补偿相位关系图6(a)，图6(a)中横坐标和纵坐标代表反射阵天线单元的中心的坐标，取值范围均为-0.8m—0.8m，颜色的深浅表示补偿相位的大小。从图6(a)中得到反射阵各单元对应的补偿相位，按照补偿相位表确定每个反射阵单元中心振子的长度，组成反射阵天线3。对反射阵天线3进行仿真得出焦点所在平面的电场强度示意图6(b)，图6(b)中颜色的深浅代表场强的强弱，场强最大值点为焦点即图中有两个焦点。
本发明的实施例4说明使用两个馈源进行馈电产生两个焦点，馈源中心的工作频率设定为2.45GHz，馈电相位中心位置坐标分别为(0.707,0,0.707)m和(-0.707,0,0.707)m，设定的焦点坐标分别为(0,-1,1)m和(0,1,1)m，介质基板上表面蚀刻21×21个周期相同的三振子单元，天线尺寸大小1.4m×1.4m。根据辐射场公式和反射场公式可计算每个单元位置处的补偿相位，得到反射阵天线各单元对应的补偿相位关系图7(a)，图7(a)中横坐标和纵坐标代表反射阵天线单元的中心的坐标，取值范围均为-0.8m—0.8m，颜色的深浅表示补偿相位的大小。从图7(a)中得到反射阵各单元对应的补偿相位，按照补偿相位表确定每个反射阵单元中心振子的长度，组成反射阵天线4。对反射阵天线4进行仿真得出焦点所在平面的电场强度示意图7(b)，图7(b)中颜色的深浅代表场强的强弱，场强最大值点为焦点即图中有两个焦点。
以上仅为本发明天线的四个实施例，不构成对本发明的任何限制，显然在本发明的构思下，可以对本发明的结构和参数进行修改，进而得到本发明的可应用于很好地实现天线高效率的多馈源多聚焦的特性，但这些均在本发明的保护之列。

Claims (6)

1.一种近场聚焦平面反射阵天线设计方法，包括如下步骤：
(1)确定反射阵天线单元的结构：
三个矩形贴片之间按照间距d平行排布在反射阵天线单元上构成三振子单元，中心振子的长度L与伴随振子的单元长度成比例γ；
(2)绘制补偿相位表：
将反射阵天线单元的中心振子L长度在其取值范围内依次进行仿真，得到与各中心振子长度对应的反射相位，将反射相位与其对应的中心振子长度绘制成一个补偿相位表；
(3)确定反射阵天线的尺寸：
在xoy平面上，将反射阵天线单元按照X×Y排布成平面阵列，其中，X表示反射阵单元总的行数，4≤X≤50，Y表示反射阵单元总的列数，4≤Y≤50；
(4)确定馈源位置：
在反射阵天线的近场区中，馈源与反射阵天线法向方向的空间角度小于45度，且馈源到反射阵天线中心的距离小于2D2/λ的范围内，依次选取M个馈源位置，其中，D表示反射阵天线对角线的尺寸，λ表示电磁波在真空中传播的波长，M的取值范围为1≤M≤5；
(5)确定反射电磁波的焦点位置：
在焦点与反射阵天线法向方向的空间角度小于70度，且焦点到反射阵天线中心的距离小于2D2/λ的范围内，依次选取N个反射阵天线反射电磁波的焦点位置，其中，D表示反射阵天线对角线的尺寸，λ表示电磁波在真空中传播的波长，N的取值范围为1≤N≤5；
(6)获得平面反射阵天线各单元的补偿相位：
(6a)利用辐射相位公式，计算馈源照射的电磁波的相位和；
(6b)利用反射相位公式，计算反射阵天线产生的电磁波的焦点的相位和；
(6c)用反射阵天线产生的电磁聚焦的相位和减去馈源照射的电磁波的相位和，得到平面反射阵天线各单元的补偿相位；
(7)绘制补偿相位与单元位置的关系表：
将平面反射阵天线各个单元中的补偿相位与反射阵天线各个单元位置的对应关系，绘制成补偿相位与单元位置的关系表；
(8)确定反射阵天线单元中心振子的长度：
(8a)从补偿相位与单元位置的关系表中，查找每个反射阵天线单元对应的补偿相位；
(8b)从补偿相位表中，查找与补偿相位对应的反射阵天线单元中心振子的长度；
(9)构造反射阵天线：
按照得到的反射阵天线单元的结构、天线的尺寸、馈源的位置以及单元中心振子的长度，构造平面反射阵天线；
(10)产生馈源照射反射阵天线的定点聚焦：
调节反射阵天线每个反射阵天线单元中心振子的长度，产生馈源照射反射阵天线的定点聚焦。
2.根据权利要求1所述的一种近场聚焦平面反射阵天线设计方法，其特征在于，步骤(1)中所述的反射阵天线单元贴片间距d的取值范围为5mm≤d≤9mm,反射阵天线单元的中心振子长度L的取值范围为0mm≤L≤60mm,反射阵天线单元的中心振子长度与伴随振子长度的比例系数γ的取值范围为0≤γ≤1。
3.根据权利要求1所述的一种近场聚焦平面反射阵天线设计方法，其特征在于，步骤(4)中所述的馈源采用喇叭天线。
4.根据权利要求1所述的一种近场聚焦平面反射阵天线设计方法，其特征在于，步骤(6a)中所述的辐射相位公式如下：
其中，表示M个馈源照射的电磁波的相位和，(xi,yi)表示反射阵天线中第i个单元的中心坐标，arg表示反正切操作，M表示馈源的总数，Σ表示求和操作，m表示第m个馈源，exp表示以自然对数为底数的指数操作，j表示复数的虚数单位，k0表示电磁波在真空中传播的波束，|·|表示求绝对值操作，fm表示在xoy平面上坐标原点到第m个馈源的距离矢量，ri表示在xoy平面上坐标原点到第i个单元中心的距离矢量。
5.根据权利要求1所述的一种近场聚焦平面反射阵天线设计方法，其特征在于，步骤(6b)中所述的反射相位公式如下：
其中，表示产生的N个反射阵天线反射出的电磁波的焦点的相位和，(xi,yi)表示反射阵天线中第i个单元的中心坐标,arg表示反正切的操作，N表示反射阵天线反射出的电磁波的焦点总数，Σ表示求和操作，n表示第n个反射阵天线反射出的焦点，exp表示以自然对数为底数的指数操作，j表示复数的虚数单位，k0表示电磁波在真空中传播的波束，|·|表示求绝对值操作，dn表示在xoy平面上坐标原点到第n个焦点的距离矢量，ri表示在xoy平面上坐标原点到第i个单元中心的距离矢量。
6.根据权利要求1所述的一种近场聚焦平面反射阵天线设计方法，其特征在于，步骤(10)中所述的定点聚焦是指反射阵天线反射的电磁波的多个焦点。
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