CN106911001B - 一种动态多频多波束空间任意扫描反射阵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态多频多波束空间任意扫描反射阵，包括馈源喇叭、堆叠的多层反射阵列以及加载在阵列上的控制激励模块；每一层阵列上加载的可重构表面可以灵活地构建出反射阵列单元，以适应不同频段、不同空间辐射方向的工作要求，实现多频段工作以及波束的任意方向辐射；多层结构实现多频工作，各自工作频段内空间波束指向可分别设计，实现分频分波束的效果；该阵列的反射阵列单元可实现动态调控，可以实现反射波束的空间任意方向动态扫描。

Description

一种动态多频多波束空间任意扫描反射阵

技术领域

本发明涉及电子通信领域，特别是一种动态多频多波束空间任意扫描反射阵。

背景技术

平面反射阵列（Flat Reflectarray）是一种将反射抛物面和阵列天线相结合的一种天线形式。通过设计或控制阵列上每个单元的结构参数来修正反射相位，使其在远场某一方向获得等相位面，获得该方向上的辐射波束。该类型的反射阵列相比与传统的反射抛物面和阵列天线相比用有诸多优点：无复杂的馈电或功分网络，能量传输效率更高，损耗较小；二维结构剖面低、占用空间小、质量轻、加工简单且成本低；能实现折叠与展开，便于空间应用；有较高的交叉极化性能。最重要的是，平面反射阵列拥有灵活的可设计性，通过调控表面反射单元的结构尺寸，可以适应不同频段、不同波束指向的要求。

而随着现代雷达，卫星通信和航天技术的飞速发展，人们对于高增益、可重构、多复用天线的需求越来越高。而平面反射阵列有着固有缺点：馈源到阵面各个反射单元的路程差是关于频率的函数，所以随着频率的变化，各个反射单元需要补偿的空间相位差也随之变化。而反射单元是固定尺寸的金属贴片，频率的偏差超出设计，必将导致增益下降、波束偏差等问题，使得传统的平面反射阵列存在固有的窄带工作特性，难以实现宽频、多频工作。另外，结构固定的传统平面反射阵列要改变波束辐射方向，只能通过机械旋转的方式，反应慢、响应迟滞、结构笨拙，更无法实现波束的动态扫描。再加上阵列上密集的金属结构，使得阵列的隐身性能大大降低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种动态多频多波束空间任意扫描反射阵，本发明结构可以灵活地组成各种所需要的反射阵列，以适应不同的工作要求；多层结构实现多频工作；并且该阵列的反射阵列单元可实现动态调控，对于每个频段可以实现反射波束的空间任意方向动态扫描。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:

根据本发明提出的一种动态多频多波束空间任意扫描反射阵，包括馈源喇叭、多层反射阵列以及控制激励模块，多层反射阵列包括多个层层堆叠的反射阵列，反射阵列的表面加载了紧密排列的可重构像素，被激励的可重构像素组成反射阵列单元，其中，

控制激励模块，用于控制激励可重构像素，实现反射阵列单元排列的动态变化，以实现辐射波束的动态扫描；

馈源喇叭，用于照射反射阵列单元，每个反射阵列单元能够修正相位延迟，补偿馈源照射到反射阵列表面的空间相位差，使得某一个远场方向获得反射波等相位面，实现同相相加，由此得到该方向上的辐射波束。

作为本发明所述的一种动态多频多波束空间任意扫描反射阵进一步优化方案，可重构像素为固态等离子体。

作为本发明所述的一种动态多频多波束空间任意扫描反射阵进一步优化方案，可重构像素之间有隔离层隔开,通过在可重构像素的两端加载偏置电压进行激励。

作为本发明所述的一种动态多频多波束空间任意扫描反射阵进一步优化方案，未被激励的可重构像素表现出介质特性，被激励的可重构像素表现出类金属特性。

作为本发明所述的一种动态多频多波束空间任意扫描反射阵进一步优化方案，每一层反射阵列表面上都能组建出预先设计好的反射阵列单元排布，多层反射阵列共同组成双频段或多频段反射阵列，并且在相应频段内形成任意空间方向的反射波束；即实现在同一时刻，针对不同频段形成不同空间指向的反射波束，实现分频分波束的效果,达到空间多频多波束扫描的目的。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

（a）本发明结构可以灵活地组成各种所需要的反射阵列，以适应不同的工作要求；多层结构实现多频工作；并且该阵列的反射阵列单元可实现动态调控，对于每个频段可以实现反射波束的空间任意方向动态扫描；

（b）本发明采用了设计平面反射阵列的思想，使用半导体结构单元来代替传统的印刷金属贴片。该半导体结构单元一旦加以偏置电压，就被激发成类金属状态，它们在反射阵列表面紧密排列，构成类似像素单元的结构，可以组成不同尺寸、形状、位置的反射单元。在馈源的照射下，由于阵面上所组成的反射阵列单元结构尺寸存在偏差，以修正反射相位延迟，补偿空间相位差，在远场获得等相位面，实现同相相加，获得所需要的辐射波束；

（c）使用半导体像素单元灵活构成的反射阵列，可以构建应用于多个频段的反射阵列。本发明还采用了多层反射阵列堆叠，可以同一时刻构建出针对不同频段的反射阵，并使得反射的主波束指向空间的不同方向，实现分频复用、空间复用，大大提升通信的信道效率；同时该新型可重构的单元表面，能够对反射阵列单元参数的动态调节，实时改变波束在空间指向，实现动态扫描。

附图说明

图1是本发明的系统结构图。

图2为可重构表面的结构放大图。

图3为可重构像素结构（激发状态的与未激发状态）示意图。

图4为重构不同频段的工作状态的阵列排布图；其中，（a）为6.5GHz工作状态阵列分布，（b）为10.6GHz工作状态阵列分布。

图5为同频段内的波束重构；其中，（a）为反射阵列结构示意图，（b）为工作在6.5GHz、最大波束指向时的阵列排布图，（c）为工作在6.5GHz、最大波束指向时的仿真结果图，（d）为工作在6.5GHz、最大波束指向时的阵列排布图，（e）为工作在6.5GHz、最大波束指向时的仿真结果图。

图6为多层结构分频分波束工作状态；其中，（a）为反射阵列结构示意图，（b）为工作在6.5GHz、最大波束指向的仿真结果图，（c）为工作在10.6GHz、最大波束指向的仿真结果图。

附图标记解释为：1-馈源喇叭，2- 可重构表面，3-反射阵列，4-控制激励模块，5-可重构像素，6-反射阵列单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明为解决背景技术中提出的问题，使用了固态等离子体可重构像素单元，用它们来灵活构成的反射单元，可以构建出任意形状、尺寸的单元排布，构建出应用于多个频段的平面反射阵列；本发明还采用了多层反射阵列堆叠，可以同一时刻构建出针对不同频段的反射阵，并使得反射的主波束指向空间的不同方向，实现分频复用、空间复用，大大提升通信的信道效率；同时，该新型可重构像素单元表面，能够对反射单元的尺寸参数进行调节，实时改变波束在空间指向，快捷灵活，并可以实现波束的动态扫描；最后，由于固态等离子体未激发时与介质无异，可以大大提升平面阵列的隐身性能。

如图1、2所示，该发明整体结构由馈源喇叭1、多层反射阵列以及控制激励模块，多层反射阵列包括多个层层堆叠的反射阵列3组成。每一层反射阵列3的表面是加载了可重构像素5所构成的可重构表面2，可重构像素5相互紧密排列。

如图3所示,这些可重构像素5由固态等离子体构成，相互间有隔离层隔开,通过在其两端加载偏置电压进行激励。被激发时，可重构像素5会表现出类金属特性，组成反射阵列结构；而未激励时表现出介质特性。通过控制激励模块4，我们能够激发表面上相应位置的可重构像素5，来组成所需要的反射阵列单元6。

在馈源喇叭的照射下，反射阵列单元6能够修正相位延迟，补偿馈源照射阵列的空间相位差，使得整个阵列在某一个远场方向获得等相位面，实现同相相加，由此得到所该方向上的辐射波束。所需要的反射阵列单元6的尺寸、位置、形状经过一定设计，由紧密排列、激发态的可重构像素5所组成的，可以在同一平面上组建出多种反射阵列，以适用于不同频段的工作。如图4所示，同一平面上构建出了分别适用于图4中的（a）为6.5GHz工作状态阵列分布与图4中的（b）为10.6GHz工作状态的阵列。

由于反射阵列单元6可以由可重构像素5组建而成，通过设计反射阵列单元6，阵列的空间波束指向可以灵活的重构，而该功能由控制激励模块4来控制实现。由此该阵列可以实现多频段工作以及波束的任意方向辐射。如图5所示，图5中的（a）为反射阵列结构示意图，使用同一阵列构建了两个工作于6.5GHz的反射阵列，两种工作状态分别为：最大波束在yoz平面内指向（图5中的（b）为此时的反射阵列单元排布，图5中的（c）为此时的仿真结果，最大波束指向）；最大波束在yoz平面内指向（图5中的（d）为此时的反射阵列单元排布，图5中的（e）为此时的仿真结果，最大波束指向）。

每一层可重构表面2上都可以组建出预先设计好的反射阵列单元6排布，多层堆叠的结构可以构建双频段或多频段的反射阵列。每一层阵列表面的反射单元都经过独立的设计，可以在相应频段内形成任意空间方向的反射波束。即实现在同一时刻，针对不同频段形成不同空间指向的反射波束，实现分频分波束的效果。如图6中的（a）所示，构建了一个双层反射阵列，同时得到6.5GHz的反射波束1和10.6GHz的反射波束2。如图6中的（b）所示，6.5GHz的反射波束设计在yoz平面内指向方向，仿真结果指向；如图6中的（c）所示，10.6GHz的反射波束设计在yoz平面内指向方向,仿真结果波束2指向。

控制激励模块4对可重构像素进行相关程序控制，使得在可重构表面2组建出设计好的反射阵列单元6排布。通过控制激励模块4，可以实现可重构表面2上反射阵列单元6排列的动态变化，以实现辐射波束的动态扫描。

以上展示和描述了本发明的实现原理、主要特征和优点。上述的实例和说明书中的描述只是为了说明本发明的原理，本发明不受上述具体实例的限制，在不脱离原理和基本实现方法的范围内，本发明还会有其他的变化和改进，这些变化和改进都在要求保护的本发明范围内。例如：组建可重构表面除了使用固态等离子体外,还可以使用其他具有类似原理的方式实现,如电向性液晶、超导体、磁光性介质等。另外，构成的反射单元，上例中使用的是正方形，而该发明提及的可重构像素还可以组成其他形状的单元。

Claims (3)

1.一种动态多频多波束空间任意扫描反射阵，其特征在于，包括馈源喇叭、多层反射阵列以及控制激励模块，多层反射阵列包括多个层层堆叠的反射阵列，反射阵列的表面加载了紧密排列的可重构像素，被激励的可重构像素组成反射阵列单元，其中，

控制激励模块，用于控制激励可重构像素，实现反射阵列单元排列的动态变化，以实现辐射波束的动态扫描；

馈源喇叭，用于照射反射阵列单元，每个反射阵列单元能够修正相位延迟，补偿馈源照射到反射阵列表面的空间相位差，使得某一个远场方向获得反射波等相位面，实现同相相加，由此得到该方向上的辐射波束；

可重构像素为固态等离子体；

每一层反射阵列表面上都能组建出预先设计好的反射阵列单元排布，多层反射阵列共同组成双频段或多频段反射阵列，并且在相应频段内形成任意空间方向的反射波束；即实现在同一时刻，针对不同频段形成不同空间指向的反射波束，实现分频分波束的效果,达到空间多频多波束扫描的目的。

2.根据权利要求1所述的一种动态多频多波束空间任意扫描反射阵，其特征在于，可重构像素之间有隔离层隔开,通过在可重构像素的两端加载偏置电压进行激励。

3.根据权利要求2所述的一种动态多频多波束空间任意扫描反射阵，其特征在于，未被激励的可重构像素表现出介质特性，被激励的可重构像素表现出类金属特性。