CN108830009B - 一种不等功率分配的聚焦传输反射阵天线设计方法 - Google Patents

一种不等功率分配的聚焦传输反射阵天线设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种不等功率分配的聚焦传输反射阵天线设计方法，本发明的实现步骤是：(1)生成反射阵天线单元；(2)确定反射阵天线的规模；(3)绘制补偿相位表；(4)确定能量接收焦点信息；(5)计算反射阵天线各单元的补偿相位；(6)调整反射阵天线单元十字金属贴片的长度；(7)构造反射阵天线；(8)生成复权值矩阵。本发明提出一种不等功率分配的聚焦传输反射阵天线设计方法，以实现反射电磁超表面的多馈源多焦点不等功率分配的的近场聚焦特性，满足无线通信与无线传感网络的多输入多输出MIMO需求。

Description

一种不等功率分配的聚焦传输反射阵天线设计方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，更进一步涉及无线能量传输技术领域中的一种不等功率分配的聚焦传输反射阵天线设计方法。本发明设计的天线可以实现多馈源多焦点的不等功率分配聚焦传输，满足无线通信系统对无线能量多输入多输出不等功率分配的实际需求。
背景技术
随着“智慧城市”，“万物互联”等概念的不断发展，无线通信系统、无线传感网络的能量供给面临着全新的挑战基于平面反射阵列天线，可通过其波束汇聚特性实现辐射式能量传输，具有损耗小、成本低，大角度电波束扫描的特性等优点。但是传统的平面反射阵传输系统结构复杂，聚焦区域功率分布较为发散，能量传输效率低，不能满足当下电子无线通信多输入多输出(MIMO)的实际需求。而传统的近场聚焦平面反射阵天线虽然能够实现高效率的多源多焦点的聚焦，但是无法实现不等功率分配，不具有灵活性，使得能量无法实现高效利用。采用电磁超表面结构设计聚焦反射阵列，可以实现对聚焦特性的灵活调控，能量在焦点更为集中，且可以实现不等功率分配，保证更高的能量传输及利用。
西安电子科技大学在其申请的专利文献“一种近场聚焦平面反射阵天线设计方法”(申请号CN201610471101.6，申请公布号CN106021818A)中提出了一种近场聚焦平面反射阵天线设计方法。该方法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。该方法存在的不足之处是：该方法设计的天线阵列在焦点处无法实现不等功率分配，难以实现能量的高效利用。
南京信息工程大学在其申请的专利文献“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，申请公开号：CN103646126A)中提出了一种微带阵列聚焦天线的设计方法及聚焦天线能量传输系。统。该方法将微带单元构成一个阵列，通过调整相位补偿实现能量聚焦。该方法存在的不足之处是，涉及的微带阵列天线结构复杂，需要有较为复杂的馈电网络。基于该方法设计得到发射天线，并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，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，同时提高传输效率和传输距离。可以实现单焦点的无线能量传输。该方法所设计的天线存在的不足之处是，系统不能实现多馈源(多输入)多焦点(多输出)的聚焦，也无法实现功率的可调分配，因而难以满足无线通信的多输入多输出需求。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种不等功率分配的聚焦传输反射阵天线设计方法，以实现反射电磁超表面的多馈源多焦点不等功率分配的的近场聚焦特性，满足无线通信与无线传感网络的MIMO需求。
本发明的技术思路是：首先确定反射阵天线单元结构和阵列规模，按照实际多输入多输出MIMO无线能量传输需要的接收端数目和每一个接收端需要的接收电场幅度，确定反射阵天线的能量接收焦点数目和接收电场幅度，计算获取反射阵单元的补偿相位，调整反射阵单元尺寸以满足补偿相位，最终构造反射阵天线以实现无线能量聚焦传输各能量接收焦点的不等功率分配。
本发明的步骤包括如下：
(1)生成反射阵天线单元：
将一个十字形金属贴片设置于介质基板的中心位置，构成一个单层十字结构的反射阵天线单元；
(2)确定反射阵天线的规模：
在xoy坐标平面中，将多个单层十字结构的反射阵天线单元，按照X×Y排布成平面阵列的反射阵天线，其中，X表示单层十字结构的反射阵单元的行数，4≤X≤50，Y表示单层十字结构的反射阵单元的列数，4≤Y≤50；
(3)绘制补偿相位表：
将反射阵天线单元的十字形金属贴片的长度La，在其取值范围内，对La的每一个取值依次进行仿真，得到与长度La每个取值分别对应的反射相位，将长度La的每一个取值和与其分别对应的反射相位绘制成一个补偿相位表；
(4)确定能量接收焦点信息：
(4a)按照实际无线能量多输入多输出MIMO传输需要的接收端数目NA，确定能量接收焦点的总数N，N＝NA；
(4b)按照实际无线能量多输入多输出MIMO传输每一个接收端需要的接收电场幅度大小
Figure BDA0001712293400000032
确定每个能量接收焦点各自对应的Dn，
Figure BDA0001712293400000033
(5)按照下式，计算反射阵天线各单元的补偿相位：
Figure BDA0001712293400000031
其中，Δφ(xz,yz)表示在平面坐标系的中心坐标为(xz,yz)的反射阵天线第z个单元所需要的补偿相位，arg表示取幅角操作，N表示有效能量接收焦点的总数，∑表示求和操作，n表示能量接收焦点的序号，Dn表示第n个能量接收焦点位置的接收电场幅度，exp表示以自然数e为底的指数操作，j表示虚部符号，k0表示自由空间的波数，|·|表示取绝对值操作，Fn表示在xoy平面坐标系中自原点到第n个能量接收焦点的距离矢量，rz表示在xoy平面系中自坐标原点到第z个反射阵天线单元中心的距离矢量，M表示有效反射阵天线馈源的总数，m表示反射阵天线馈源的序号，Em表示第m个反射阵天线馈源的发射电场幅度，Tm表示在xoy平面上坐标中自原点到第m个反射阵天线馈源的距离矢量；
(6)调整反射阵天线单元十字金属贴片的长度：
从补偿相位表中，查找与反射阵天线各单元的补偿相位对应的反射阵天线单元十字金属贴片的长度；
(7)构造反射阵天线：
用反射阵天线单元的结构、反射阵天线的规模、反射阵单元十字金属贴片的长度，构造平面反射阵天线。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
第一，由于本发明采用了单层十字结构的反射阵天线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阵列天线结构复杂，馈电网络复杂的缺点，使得本发明具有结构简单，损耗较小，电磁聚焦效率较高的优点。
第二，本发明通过调整反射阵天线单元十字金属贴片的长度提供补偿相位，实现任意数量馈源和焦点的电磁近场聚焦传输，克服了现有技术采用传统的设计方法制造的反射阵天线无法实现多馈源多焦点的缺陷，使得本系统的设计和应用自由度大，实现多馈源功率合成以及多焦点能量分配，满足多输入多输出MIMO无线能量传输的实际需求。
第三，本发明按照实际无线能量多输入多输出MIMO传输需要的接收端数目和每一个接收端需要的接收电场幅度，确定反射阵天线的能量接收焦点数目和接收电场幅度，实现无线能量聚焦传输各能量接收焦点的不等功率分配，克服了现有技术无法实现不等功率分配的问题，使得基于本发明设计的反射阵天线用于实际MIMO无线能量传输更具灵活性。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明反射阵单层十字单元结构的示意图；
图3为本发明实施例1的反射阵天线相位尺寸分布图；
图4为本发明实施例1的反射阵天线仿真拓扑结构图；
图5为本发明实施例1的反射阵天线聚焦传输仿真图；
图6为本发明实施例2的反射阵天线相位尺寸分布图；
图7为本发明实施例2的反射阵天线仿真拓扑结构图；
图8为本发明实施例2的反射阵天线聚焦传输仿真图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述。
参照附图1，对本发明的具体步骤做详细描述。
步骤1，生成反射阵天线单元。
将一个十字形金属贴片设置于介质基板的中心位置，构成一个单层十字结构的反射阵天线单元。
下面结合图2，对本发明的单层十字结构的反射阵天线单元的结构做进一步的描述。
图2是本发明的单层十字结构单元结构示意图，该单元由两个矩形金属贴片相互垂直平分排列置于介质基板的上表面组成。反射阵天线采用单层介质基板，介质基板位于金属地板上方。图2(a)是单层十字结构的俯视图，图2(a)中单元尺寸为C＝15mm，平行于y方向的矩形贴片和平行于x方向的矩形贴片宽度均为W，W＝1mm，长度均为La。图2(b)是单层十字单元结构的侧视图，图2(a)中介质板的厚度为H＝3mm，介质基板相对介电常数为εr＝2.2。
步骤2，确定反射阵天线的规模。
在xoy坐标平面中，将多个单层十字结构的反射阵天线单元，按照X×Y排布成平面阵列的反射阵天线，其中，X表示单层十字结构的反射阵单元的行数，4≤X≤50，Y表示单层十字结构的反射阵单元的列数，4≤Y≤50。
步骤3，绘制补偿相位表。
将反射阵天线单元的十字形金属贴片的长度La，在其取值范围内，对La的每一个取值依次进行仿真，得到与长度La每个取值分别对应的反射相位，将长度La的每一个取值和与其分别对应的反射相位绘制成一个补偿相位表。
步骤4，确定能量接收焦点信息。
按照实际无线能量多输入多输出MIMO传输需要的接收端数目NA，确定能量接收焦点的总数N，N＝NA；按照实际无线能量多输入多输出MIMO传输每一个接收端需要的接收电场幅度大小
Figure BDA0001712293400000051
确定每个能量接收焦点各自对应的Dn，
Figure BDA0001712293400000052
步骤5，按照下式，计算反射阵天线各单元的补偿相位：
Figure BDA0001712293400000053
其中，Δφ(xz,yz)表示在平面坐标系的中心坐标为(xz,yz)的反射阵天线第z个单元所需要的补偿相位，arg表示取幅角操作，N表示有效能量接收焦点的总数，∑表示求和操作，n表示能量接收焦点的序号，Dn表示第n个能量接收焦点位置的接收电场幅度，exp表示以自然数e为底的指数操作，j表示虚部符号，k0表示自由空间的波数，|·|表示取绝对值操作，Fn表示在xoy平面坐标系中自原点到第n个能量接收焦点的距离矢量，rz表示在xoy平面系中自坐标原点到第z个反射阵天线单元中心的距离矢量，M表示有效反射阵天线馈源的总数，m表示反射阵天线馈源的序号，Em表示第m个反射阵天线馈源的发射电场幅度，Tm表示在xoy平面上坐标中自原点到第m个反射阵天线馈源的距离矢量。
所述的有效能量接收焦点是指满足下述条件的反射阵天线焦点：所述反射阵天线焦点相对于反射阵天线中心位置的距离为R，该R的取值范围R∈(0,2D2/λ)，其中，D表示反射阵天线的阵列长度，λ表示反射阵天线聚焦传输的电磁波波长；所述反射阵天线焦点相对于聚焦反射阵列中心位置的法线方向的空间角为θ，取值范围从-90°到90°。
所述的有效反射阵天线馈源是指满足下述条件的反射阵天线馈源：所述反射阵天线馈源相对于反射阵天线中心位置的距离为S，该S的取值范围S∈(0,2D2/λ)；所述反射阵天线馈源相对于聚焦反射阵列中心位置的法线方向的空间角为α，取值范围从-45°到45°。
步骤6，调整反射阵天线单元十字金属贴片的长度。
从补偿相位表中，查找与反射阵天线各单元的补偿相位对应的反射阵天线单元十字金属贴片的长度。
步骤7，构造反射阵天线。
用反射阵天线单元的结构、反射阵天线的规模、反射阵单元十字金属贴片的长度，构造平面反射阵天线。
下面结合两个实施例对本发明的效果做进一步的描述。
实施例1，选择单馈(单输入)双焦点(多输出)结构。
本实施实例的目的是设计单馈源激励时产生两个不等功率分配焦点的反射阵天线，以反射阵天线中心为原点建立直角坐标系，馈源位置
Figure BDA0001712293400000061
到反射阵天线中心位置的距离为0.2m，空间角0°，垂直照射反射电磁表面，馈源采用喇叭天线，中心工作频率为10GHz，x极化激励；两个能量接收装置位置分别为
Figure BDA0001712293400000062
Figure BDA0001712293400000063
两个焦点处的能量比采用不等功率分配设计，相位分布公式如下：
Figure BDA0001712293400000071
采用不等功率分配设计，在本发明的实施例1中分配比例取值为E1:E2＝1:1.1，其中E1＝1，E2＝1.1。
参照附图3，对本发明的实施例1的反射阵天线的相位尺寸分布做进一步描述。图3(a)为实施例1的反射阵天线的相位分布图，图3(a)中的横坐标对应x方向的阵列坐标，纵坐标对应y方向的阵列坐标，相位分布在0°-360°之间变化。图3(b)为本发明实施例1的反射阵天线的尺寸分布图，图3(b)中的横坐标对应x方向的阵列坐标，纵坐标对应y方向的阵列坐标，尺寸La取值在2mm-14.8mm之间变化。
参照附图4，对本发明的实施例1的反射阵天线的仿真拓扑结构做进一步描述。该模块的阵面为边长为L＝390mm的正方形阵面，每个单元的尺寸是根据图3中的相位尺寸分布结果构建的。
参照附图5，对本发明的实施例1的反射阵天线的仿真结果做进一步描述。在电磁仿真软件HFSS中进行全波仿真。仿真结果如图5所示，从聚焦焦点所在的电场分布平面上可以看到两个不同的电磁聚焦焦斑，实现了双焦点的不等功率分配，且不同强弱的焦点就在预先设定的位置处，分别在
Figure BDA0001712293400000072
处，且
Figure BDA0001712293400000073
处的能量强于
Figure BDA0001712293400000074
处的能量。
实施例2，选择双馈(多输入)双焦点(多输出)结构。
本发明实施例2的目的是设计双馈源激励时产生两个等功率分配焦点的反射阵天线，在
Figure BDA0001712293400000075
这两个位置处，分别设置馈源1和馈源2。馈源采用喇叭天线，位于反射阵天线中心的两侧照射反射阵天线，距离反射阵天线中心位置距离都为0.5m，空间角分别为22.5°和-22.5°，中心工作频率为10GHz。两个能量接收模块分别设在
Figure BDA0001712293400000076
Figure BDA0001712293400000077
的相位分布公式如下：
Figure BDA0001712293400000078
由于采用等功率分配设计，本实施例中分配比例取值为D1＝D2＝1，E1＝E2＝1。
参照附图6，对本发明的实施例2的反射阵天线的相位尺寸分布做进一步描述。
图6(a)为本发明实施例2的反射阵天线的相位分布图，图6(a)中的横坐标对应x方向的阵列坐标，纵坐标对应y方向的阵列坐标，相位分布在0°-360°之间变化。图6(b)为本发明实施例2的反射阵天线的尺寸分布图，图6(b)中的横坐标对应x方向的阵列坐标，纵坐标对应y方向的阵列坐标，尺寸分布在2mm-14.5mm之间变化。
参照附图7，对本发明的实施例2的反射阵天线的仿真拓扑结构做进一步描述。该模块的阵面为边长为L＝390mm的正方形阵面，每个单元尺寸是根据图6中的相位尺寸分布结果构建的。
参照附图8，对本发明的实施例2的反射阵天线的仿真结果做进一步描述。在电磁仿真软件HFSS中进行全波仿真。仿真结果如图8所示，从聚焦焦点所在的电场分布平面上可以看到两个相同的电磁聚焦焦斑，实现了双馈源的功率合成，以及双焦点的等功率分配，且焦点就在预先设定的位置处，分别在
Figure BDA0001712293400000081
Figure BDA0001712293400000082
以上描述仅是本发明的两个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (2)

1.一种不等功率分配的聚焦传输反射阵天线设计方法，其特征在于，按照实际无线能量多输入多输出MIMO传输需要的接收端数目和每一个接收端需要的接收电场幅度，确定反射阵天线的能量接收焦点数目和接收电场幅度，实现无线能量聚焦传输各能量接收焦点的不等功率分配，该方法步骤包括如下：
(1)生成反射阵天线单元：
将一个十字形金属贴片设置于介质基板的中心位置，构成一个单层十字结构的反射阵天线单元；
(2)确定反射阵天线的规模：
在xoy坐标平面中，将多个单层十字结构的反射阵天线单元，按照X×Y排布成平面阵列的反射阵天线，其中，X表示单层十字结构的反射阵单元的行数，4≤X≤50，Y表示单层十字结构的反射阵单元的列数，4≤Y≤50；
(3)绘制补偿相位表：
将反射阵天线单元的十字形金属贴片的长度La，在其取值范围内，对La的每一个取值依次进行仿真，得到与长度La每个取值分别对应的反射相位，将长度La的每一个取值和与其分别对应的反射相位绘制成一个补偿相位表；
(4)确定能量接收焦点信息：
(4a)按照实际无线能量多输入多输出MIMO传输需要的接收端数目NA，确定能量接收焦点的总数N，N＝NA；
(4b)按照实际无线能量多输入多输出MIMO传输每一个接收端需要的接收电场幅度大小
Figure FDA0002369012470000011
确定每个能量接收焦点各自对应的Dn，
Figure FDA0002369012470000012
(5)按照下式，计算反射阵天线各单元的补偿相位：
Figure FDA0002369012470000013
其中，Δφ(xz,yz)表示在平面坐标系的中心坐标为(xz,yz)的反射阵天线第z个单元所需要的补偿相位，arg表示取幅角操作，N表示有效能量接收焦点的总数，∑表示求和操作，n表示能量接收焦点的序号，Dn表示第n个能量接收焦点位置的接收电场幅度，exp表示以自然数e为底的指数操作，j表示虚部符号，k0表示自由空间的波数，|·|表示取绝对值操作，Fn表示在xoy平面坐标系中自原点到第n个能量接收焦点的距离矢量，rz表示在xoy平面系中自坐标原点到第z个反射阵天线单元中心的距离矢量，M表示有效反射阵天线馈源的总数，m表示反射阵天线馈源的序号，Em表示第m个反射阵天线馈源的发射电场幅度，Tm表示在xoy平面上坐标中自原点到第m个反射阵天线馈源的距离矢量；
所述的有效能量接收焦点是指满足下述条件的反射阵天线焦点，所述反射阵天线焦点相对于反射阵天线中心位置的距离为R，该R的取值范围R∈(0,2D2/λ)，其中，D表示反射阵天线的阵列长度，λ表示反射阵天线聚焦传输的电磁波波长；所述反射阵天线焦点相对于聚焦反射阵列中心位置的法线方向的空间角为θ，取值范围从-90°到90°；
(6)调整反射阵天线单元十字金属贴片的长度：
从补偿相位表中，查找与反射阵天线各单元的补偿相位对应的反射阵天线单元十字金属贴片的长度；
(7)构造反射阵天线：
用反射阵天线单元的结构、反射阵天线的规模、反射阵单元十字金属贴片的长度，构造平面反射阵天线。
2.根据权利要求1所述一种不等功率分配的聚焦传输反射阵天线设计方法，其特征在于，步骤(5)中所述的有效反射阵天线馈源是指满足下述条件的反射阵天线馈源，所述反射阵天线馈源相对于反射阵天线中心位置的距离为S，该S的取值范围S∈(0,2D2/λ)；所述反射阵天线馈源相对于聚焦反射阵列中心位置的法线方向的空间角为α，取值范围从-45°到45°。
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