CN106129634B - 一种基于阵列法的双功能全息反射阵天线的增益优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种通过阵列法设计的双功能全息反射阵天线。反射阵天线是平面结构，可以使来自两个正交方向的馈源激励在各自入射平面内出射高增益波束而互不影响。阵列法作为快速计算反射阵辐射性能的工具，在得到可靠的反射阵天线辐射性能的同时，大大降低了计算时间和对计算机性能的要求，缩短了设计和优化反射阵天线的周期，在该发明中被用来设计和优化反射阵天线，以优化出馈源喇叭最佳的入射角度和距离，使得反射阵天线产生的波束增益最大。而本发明中的反射阵天线包含两个馈源分别照射下的相位分布信息，因而在任意一个馈源照射时，反射阵都可以产生对应平面内的高增益波束，即为双功能全息反射阵天线。

Description

一种基于阵列法的双功能全息反射阵天线的增益优化方法
技术领域
本发明属于天线技术领域，尤其是涉及一种基于阵列法的双功能全息反射阵天线。
背景技术
反射阵天线相比于抛物面天线，具有低剖面、造价低和易加工等优势，成为近些年来的研究热点。反射阵天线大致的工作原理是，从馈源喇叭出射的信号入射到反射阵面的单元上，经单元反射后传播至目标波束方向。而由于单元位于反射阵面的不同位置，造成不同的路径，因此要调整各单元的尺寸以产生适当的相移，使之恰好抵消路径不同造成的相位延迟。从而使不同路径的信号在目标波束方向的波前相位相同，以获得很高的定向性，提高反射阵增益。而反射阵面上大量的单元数量，使反射阵的仿真对计算时间和计算机性能提出了很高的要求。近些年提出的阵列法可以仅通过Matlab软件，就得到可靠的反射阵辐射性能，同时对计算时间和计算机性能的要求大幅降低。全息指的是一种可以让从物体发射的衍射光能够被重现的技术，我们这里借用这个思想提出了一个双功能的全息反射阵天线。
发明内容
本发明提出了一种通过阵列法设计的双功能全息反射阵天线，反射阵天线是平面结构，可以使来自两个正交方向的馈源激励在各自入射平面内出射高增益波束而互不影响。阵列法作为快速计算反射阵辐射性能的工具，在该发明中被用来设计和优化反射阵天线，以优化出馈源喇叭最佳的入射角度和距离，使得反射阵天线产生的波束增益最大。
为实现上述功能，本发明采取的技术方案如下：一种基于阵列法的双功能全息反射阵天线的增益优化方法，具体步骤如下：
步骤A，用仿真软件确认反射阵单元的结构尺寸，使之工作在10GHz、具有9GHz-12.5GHz的宽带特性且随某一参数X变化能够产生360度相移；
步骤B，用仿真软件得到反射阵单元在不同X值下的的辐射方向图；
步骤C，计算U平面内，当馈源Ⅰ入射角为α，距反射阵中心距离为d时，反射阵上各单元所需相移ψ1；
步骤D，计算与U平面和反射阵平面正交的V平面内，当馈源Ⅱ入射角为α，距反射阵中心距离为d时，反射阵上各单元所需相移ψ2；
步骤E，根据全息的思想，得到反射阵上各单元最终所需相移值ψ，并确定各单元的尺寸；计算公式为
步骤F，用阵列法计算反射阵的辐射性能，并对馈源位置和反射阵进行优化，使之达到最大增益，得到优化后的馈源入射角α和距反射阵中心距离d。
进一步的，步骤A所述仿真软件为电磁仿真软件CST。
进一步的，步骤B所述仿真软件为电磁仿真软件FEKO。
本发明的有益结果是：阵列法作为有效的工具，在得到可靠的反射阵天线辐射性能的同时，大大降低了计算时间和对计算机性能的要求，缩短了设计和优化反射阵天线的周期。而本发明中的反射阵天线包含两个馈源分别照射下的相位分布信息，因而在任意一个馈源照射时，反射阵都可以产生对应平面内的高增益波束，即为双功能全息反射阵天线。
反射阵天线是平面结构，可以使来自两个正交方向的馈源激励在各自入射平面内出射高增益波束而互不影响。阵列法作为快速计算反射阵辐射性能的工具，在该发明中被用来设计和优化反射阵天线，以优化出馈源喇叭最佳的入射角度和距离，使得反射阵天线产生的波束增益最大。
附图说明
图1为实施例中反射阵单元的示意图；
图2为本发明的反射阵单元相移曲线示意图；
图3为实施例中反射阵的工作示意图；
图4为本发明的结构示意图；
图5为实施例中10GHz下远场方向图的测试结果示意图。
其中，图1(a)为反射阵天线单元的俯视图，图1(b)为反射阵天线单元的侧视图；图3(a)为双功能全息反射阵天线工作时两馈源的相互位置关系；(b)一个馈源工作时的示意图；(c)馈源的入射角度α和距离反射阵中心长度d的定义。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明提出的一种基于阵列法的双功能全息反射阵天线进行详细说明：
首先，使用电磁仿真软件CST(计算机仿真技术)，确定反射阵单元的结构尺寸，使其工作在10GHz、具有宽带特性(9GHz-12.5GHz)，如图1，详细参数值见表1，并且，调整单元参数lr可以使单元的相移覆盖约360度，如图2；
表1反射阵单元参数值
其中：l为反射阵单元的边长，lp为单元中央金属方块的边长，lr为中部金属方环的边长，ws为外围金属方环的宽度，wr为中部金属方环的宽度，thick为介质基板的厚度，thickGD为反射阵单元的厚度。
其次，使用电磁仿真软件FEKO(三维全波电磁仿真软件)得到反射阵单元在不同lr值下的远场方向图数据；
然后，在Matlab软件中编写传统的阵列法程序，使用上一步骤得到的数据作为程序的输入数据；
接着，如图3，分别计算U、V平面内馈源Ⅰ和馈源Ⅱ在给定入射角为α，距反射阵中心距离为d时，反射阵上各单元所需相移ψ1、ψ2；
下一步，根据公式得到反射阵天线各单元所应产生的相移值ψ，并确定每个单元参数lr的值，得到反射阵天线的尺寸，如图4。
最后，用阵列法程序计算反射阵的远场方向图，调整为α和d时，使反射阵的增益达到最大，如图5是优化后的反射阵天线的远场方向图。
本发明中的基于阵列法的双功能全息反射阵天线，可以改变馈源入射角为α和距反射阵中心距离d在不同方向上产生波束。
以上所述是本发明的基于阵列法的双功能全息反射阵天线的方法以及流程，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于阵列法的双功能全息反射阵天线的增益优化方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤A，用仿真软件确认反射阵单元的结构尺寸，使之工作在10GHz、具有9GHz-12.5GHz的宽带特性且随某一参数X变化能够产生360度相移；
所述反射阵单元包括顶部的介质基板和底面的金属底板；所述介质基板的周边为外围金属方环，介质基板的中央设置有中部金属方环，在中部金属方环的中央设置有中央金属方块，所述外围金属方环、中部金属方环和中央金属方块的几何中心重合，且同一侧的边相互平行；
步骤B，用仿真软件得到反射阵单元在不同X值下的辐射方向图；
步骤C，计算U平面内，当馈源Ⅰ入射角为α1，距反射阵中心距离为d1时，反射阵上各单元所需相移ψ1；
步骤D，计算与U平面和反射阵平面正交的V平面内，当馈源Ⅱ入射角为α2，距反射阵中心距离为d2时，反射阵上各单元所需相移ψ2；
步骤E，根据全息的思想，得到反射阵上各单元最终所需相移值ψ，并确定各单元的参数X的尺寸；计算公式为
步骤F，用阵列法计算反射阵的辐射性能，并对馈源位置和反射阵进行优化，使之达到最大增益，得到优化后的馈源入射角α和距反射阵中心距离d。
2.根据权利要求1所述的一种基于阵列法的双功能全息反射阵天线的增益优化方法，其特征在于：步骤A所述仿真软件为电磁仿真软件CST。
3.根据权利要求1所述的一种基于阵列法的双功能全息反射阵天线的增益优化方法，其特征在于：步骤B所述仿真软件为电磁仿真软件FEKO。
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