CN107946755A - 一种现场可编程漏波天线及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种现场可编程漏波天线及其设计方法，所述的天线由多个辐射单元连接组成，射频信号从天线的两端馈入，激发天线上的准TEM导波模式，在导波行进的过程中于每个辐射单元相互作用而产生对外辐射，所有单元的辐射叠加构成了天线的总体辐射场，每个辐射单元上集成了两个并联的开关二极管。二极管的导通和截止会使得单元产生两种辐射状态。通过独立控制所有单元的导通和截止状态，即可实现对天线总场的调控。本发明使用离散的编码分布来控制天线的辐射场，由FPGA输出的数字电压信号驱动天线的编码切换，实现了天线与数字电路的直接集成，大大降低了系统的复杂度和成本。
Description
技术领域
本发明涉及低剖面的现场可编程漏波天线，具体涉及一种现场可编程漏波天线及其设计方法。
背景技术
可重构天线可用于多种波束赋形的应用场合，比如5G移动通信、无人汽车、无人飞机以及智能物流等领域。但当前大多数可重构天线的激励源多采用照射源，即利用喇叭等激励源照射有源天线口面，形成可重构的反射波束或透射波束。这会导致整个天线装置体积和重量较大，不便于实际应用。
在漏波天线的设计上方面，首先漏波是指导波结构所支持的行波在行进过程中产生的辐射电磁波。设计合适的导波结构可以控制漏波的辐射行为，据此所设计的天线称为漏波天线，漏波天线具有波束随频率变化而在空间扫描的特性。但在许多应用场合，需要波束在固定频率进行扫描，比如在通信应用中。因此，很多有源的设计方法被引入到漏波天线中，比如在导波结构中加载可变电容、液晶等等，通常这些所用到的有源天线口面多采用渐变重构的方式(如采用电压驱动可变电容或液晶)，使得驱动电路非常复杂，增加了天线的成本，对使用也造成了不便。采用1-比特数字离散状态控制的方法，可以极大降低天线的复杂度和制作成本，且在实际应用中可以被数字信号直接驱动，便于系统集成。所谓1-比特数字离散是指，漏波天线由周期的单元结构组成，每个单元可以在外加数字电压的驱动下产生两种辐射状态，分别记为“0”和“1”。此时，天线的整体辐射性能有所有单元的辐射叠加产生，即天线的辐射场由天线口面的数字编码组合所决定。在设计这种现场可编程漏波天线时，编码的选取起着决定性作用，不同的编码对应不同的辐射场。实际应用中，往往已给定了远场的需求，此时就需要从远场反向综合出其对应的编码。由于编码的组合是一个巨大的数字，每一种编码在商用的仿真软件中都要耗费大量的时间，因此不可能通过穷举来得到目标编码。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术的不足，本发明提供一种现场可编程漏波天线及其设计方法，实现了激励源与有源口面的超低剖面集成，并且通过天线与数字电路的直接集成，大大降低了系统的复杂度和成本。
技术方案：一种现场可编程漏波天线，所述的天线由两个或者两个以上的辐射单元组成，所述的辐射单元结构集成在多层印制电路板上，所述的电路板包含三层金属层和两层介质层，所述的金属层和介质层交替设置，所述的辐射单元上集成设置有开关二极管。
进一步的，所述金属层分别设置在电路板的顶层、中层和底层，所述的顶层金属层为直流馈电结构，所述的中间金属层为一层隔离地。
更进一步的，所述的中层与顶层金属结构层构成导波结构；
更进一步的，所述的顶层金属层通过金属通孔与底层的扇形圆心相连。
本发明还对上述的一种现场可编程漏波天线的设计提供如下方法，主要包括以下步骤：
(1)建立单元特性数据库：首先利用传输矩阵来分析作为激励源的行波的特性，并且利用仿真软件进行仿真，建立辐射单元特征数据库；
(2)编码整体优化迭代：首先对遗传算法进行初始化，生成初始化种群(即编码群)，然后利用T矩阵方法获得每种编码所对应的远场，并与适应度函数进行比较，选出逼近程度更高的编码，采用遗传算法中的交叉、变异操作生成下一代种群，重复上述步骤进行迭代，直到满足收敛条件。
进一步的，步骤(1)所述的传输矩阵表达式如下：
式中，Ti表示第i格单元的传输矩阵，Ti (0)表示当第i个单元为状态“0”时的传输矩阵；Ti (1)表示当第i个单元为状态“1”时的传输矩阵。
进一步的，步骤(1)包括建立辐射远场，首先定义h+(ω，θ)和h-(ω，θ)分别作为正向激励和反向激励时的远场输出，则第i个单元的辐射远场表示为：
其中，
然后将各个单元的辐射远场进行叠加即可得到天线的总场
其中,li是第i个单元距离原点的距离,从上式可以看出，当获得单元的端口网络散射参数和单元辐射远场后，即可快速计算天线的总场。
有益效果：本发明相比现有技术其显著的效果在于，本发明提供的天线使用离散的编码分布来控制天线的辐射场，其编码切换可以直接由FPGA输出的数字电压信号驱动，实现了天线与数字电路的直接集成，大大降低了系统的复杂度和成本；另一方面所述的方法对单元的具体结构以及实现编码状态切换的方式不做任何限制，具有非常广泛的适用性，并且其编码在仿真软件的运行时间短，编程方便高效。
附图说明
图1是本发明所述漏波天线整体结构示意图；
图2是本发明所述漏波天线辐射单元结构示意图；
图3是本发明的设计方法流程图；
图4是本发明所述天线的设计模型及其原理图；
图5是本发明所述天线的综合快速设计流程图；
图6是本发明的设计仿真获得S参数图；
图7是本发明的设计方法的仿真获得的远程辐射图；
图8是本发明所述的可编程漏波天线的远场侧视图。
其中：图3中的(a)是可编程天线辐射单元的顶层结构，(b)是可编程天线辐射单元的底层结构，(c)是可编程天线辐射单元的截面视图；图4中(a)为为可编程天线的级联模型，(b)为单元三端口网络模型。
具体实施方式
为了详细的说明本发明公开的技术方案，下面结合说明书附图和具体实施例做进一步的阐述。
本发明提供的一种低剖面的现场可编程漏波天线，该天线首先使用离散的编码分布来控制天线的辐射场，天线的编码切换可以直接由FPGA输出的数字电压信号驱动，实现了天线与数字电路的直接集成，大大降低了系统的复杂度和成本。
如图1所示的是天线整体结构，整个天线由多个辐射单元连接组成，射频信号从天线的两端馈入，激发天线上的准TEM导波模式，在导波行进的过程中于每个辐射单元相互作用而产生对外辐射，所有单元的辐射叠加构成了天线的总体辐射场。
如图2所示的是天线辐射单元的结构示意图，每个辐射单元上集成了两个并联的开关二极管，二极管位置如图中箭头所示，其中正极指向+y方向，二极管的导通和截止会使得单元产生两种辐射状态，通过独立控制所有单元的导通和截止状态，即可实现对天线总场的调控。
单元结构集成在多层印制电路板上，其中包含三层金属层和两层介质层。顶层金属层包含设计的辐射单元以及集成的开关二极管，如图3所示；其中图3(a)底层金属层是直流馈电结构，如图3(b)所示，扇形结构是为了阻止射频信号耦合到直流馈线中。中间金属层是一层隔离地，与顶层的距离为h1，与底层的距离为h2，如图3(c)所示。中间层与顶层金属结构层构成导波结构，传输准TEM模式的行波激励信号。顶层通过金属通孔与底层的扇形圆心相连，以便对二极管进行直流电压馈电。图3中，可编程天线的单元结构的具体参数如下：p＝18mm,g＝3.5mm,b＝2mm,c＝4.1mm,t2＝0.1mm,t1＝0.2mm,f＝10mm,l＝6mm,s＝1mm,t3＝0.8mm,a＝9.8mm,t4＝1.2mm,b＝4.2m,θ＝50o,r＝3mm,h1＝1.6mm,h2＝0.2mm,w＝60mm。
为实现上述可编程天线的结构，本发明还提供一种设计方法，下面给出具体的操作步骤及其设计原理。
本发明中所采用的快速分析模型及其可编程天线的原理如图4所示，漏波天线由周期的单元所组成，每个单元可以在外加驱动源的控制下呈现状态“1”或者“0”。图4(a)为可编程天线的级联模型，天线每个单元被作为一个三端口网络；图4(b)为单元三端口网络模型，其中，端口1和端口2是行波端口；端口3是辐射端口，用来模拟单元结构的辐射特性。首先利用传输矩阵来分析作为激励源的行波的特性。对于级联网络中的第i个单元，有如下关系：
由于每个单元有两种可能的状态，因此T矩阵的表达式表示为：
如果级联网络共有N个单元，则可以得到如下表达式：
其中ai+1＝b′i，bi+1＝a′i.利用表达式(3)即可得到任意单元网络的行波输入和输出信号。在此行波激励下，单元将会产生电磁辐射，即端口3会产生输出信号。分别定义h+(ω，θ)和h-(ω，θ)作为正向激励和反向激励时的远场输出，则对第i个单元，其辐射远场可表示为：
其中，
将各个单元的辐射远场进行叠加即可得到天线的总场
其中,li是第i个单元距离原点的距离.从等式(7)可以看出，当获得单元的端口网络散射参数和单元辐射远场后，即可快速计算天线的总场。
以下是编程的设计流程及其步骤：
第一步：建立单元特性数据库
本发明所提出的1-比特现场可编程天线由周期的单元所组成。根据理论分析部分提出的方法，需要先得出单元的导波特性和辐射特性，即单元的端口网络散射参数和单元辐射场。可以利用商业仿真软件针对具体的单元模型进行仿真，建立单元特性的数据库。一旦建立单元的特性数据库，后续的编码优化不再需要商业仿真软件，只在得出最优编码后，进行验证即可。
第二步：编码整体优化迭代
完成天线的单元设计并获取网络端口散射参数和单元辐射远场信息后，即可以利用优化算法对天线的总场进行综合设计。为了快速获得特定辐射场所对应的编码分布，可以采用遗传算法作为全局优化算法。
式(8)是优化的适应度函数，其中Et(ω，θ)是目标远场。适应度函数越小，则优化的结果越接近目标远场。
图5给出了优化设计流程，首先对遗传算法进行初始化，生成初始化种群(即编码群)，然后利用理论分析部分提出的混合T矩阵方法获得每种编码所对应的远场，并与适应度函数进行比较，选出逼近程度更高的编码，采用遗传算法中的交叉、变异操作生成下一代种群，重复上述步骤进行迭代，直到满足收敛条件。此时，将计算获得的远场与商业软件仿真结果比较验证，满足要求，则获得了指定远场所对应的编码。
天线的总场是所有单元辐射场的叠加，辐射单元的电磁特性可以利用现有商业软件，比如基于时域有限差分算法的CST或者有限元算法的HFSS。图6给出了仿真的单元散射参数S11和S21的幅度和相位，(a)为单元散射S11的幅度和相位，(b)为单元散射S21的幅度和相位。图7位本发明的单元辐射的远场，从仿真结果来看，二极管的状态显著影响了单元的辐射特性。
天线的总场是所有单元辐射场的叠加，叠加的计算表达式为:
根据单元仿真得到的信息并根据阵列天线的叠加理论，可以由上式得出天线的总场。
为了实现天线波束的扫描，需要对天线所有单元的辐射状态进行优化，已获得需要的辐射场。当二极管导通时，单元状态记为“1”；当二极管截止时，单元状态记为“0”。通过遗传算法的全局优化，表1给出了与扫描角度对应的优化编码。
可编程漏波天线的不同主瓣所对应的编码分布
为了使图1中的天线与标准规格的50欧姆SMA接头匹配，还提出一个转换结构以实现阻抗匹配，该天线的远场测试在微波暗室中完成，天线的状态切换由FPGA来控制。图8给出了天线的远场测试结果，从中可以看出，编码的切换可以实现波束扫描。
Claims (7)
1.一种现场可编程漏波天线，其特征在于，所述的天线由两个或者两个以上的辐射单元组成，所述的辐射单元结构集成在多层印制电路板上，所述的电路板包含三层金属层和两层介质层，所述的金属层和介质层交替设置，所述的辐射单元上集成设置有开关二极管。
2.根据权利要求1所述的一种现场可编程漏波天线，其特征在于，所述金属层分别设置在电路板的顶层、中层和底层，所述的顶层金属层为直流馈电结构，所述的中间金属层为一层隔离地。
3.根据权利要求2所述的一种现场可编程漏波天线，其特征在于，所述的中层与顶层金属结构层构成导波结构。
4.根据权利要求2所述的一种现场可编程漏波天线，其特征在于，所述的顶层金属层通过金属通孔与底层金属层的扇形圆心相连。
5.一种现场可编程漏波天线的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)建立单元特性数据库：首先利用传输矩阵来分析作为激励源的行波的特性，并且利用仿真软件进行仿真，建立辐射单元特征数据库；
(2)编码整体优化迭代：首先对遗传算法进行初始化，生成初始化种群(即编码群)，然后利用T矩阵方法获得每种编码所对应的远场，并与适应度函数进行比较，选出逼近程度更高的编码，采用遗传算法中的交叉、变异操作生成下一代种群，重复上述步骤进行迭代，直到满足收敛条件。
6.根据权利要求5所述的一种现场可编程漏波天线的设计方法，其特征在于，步骤(1)所述的传输矩阵表达式如下：
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式中，Ti表示第i个单元的传输矩阵，表示当第i个单元为状态“0”时的传输矩阵；表示当第i个单元为状态“1”时的传输矩阵。
7.根据权利要求5所述的一种现场可编程漏波天线的设计方法，其特征在于，步骤(1)包括建立辐射远场，首先定义h+(ω，θ)和h-(ω，θ)分别作为正向激励和反向激励时的远场输出，则第i个单元的辐射远场表示为：
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然后将各个单元的辐射远场进行叠加即可得到天线的总场
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其中,li是第i个单元距离原点的距离，β是自由空间的传播常数，ω是角频率，θ是俯仰角。
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