CN109617589A - 一种使用天线阵列产生射频准艾里波束的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用天线阵列产生射频准艾里波束的装置，一种使用天线阵列产生射频准艾里波束的装置，其特征在于，包括馈电网络和与馈电网络相连接的多个天线单元。本发明提供了一种生成射频准艾里波束的装置，可以选择独立天线阵列或者自适应天线阵列作为发射装置，通过馈电网络精确地对每个常规天线单元进行馈电，利用天线阵列生成了一种波束，该波束在一定传播范围内具有横向自加速特性和近似无衍射特性，因此可以认为生成准艾里波束。

Description

一种使用天线阵列产生射频准艾里波束的装置

技术领域

本发明设计一种使用天线阵列产生射频准艾里波束的装置。

背景技术

四十年前，无衍射和横向自加速波束的概念最初出现在量子力学领域，在2007年，人们为了在自由空间产生傍轴光束，同时考虑到薛定谔方程和亥姆赫兹方程的等效性，提出了产生无衍射艾里光束的方法。另外，理想艾里波束具有两个重要特性：无衍射特性和横向自加速特性。但是，理想艾里波束具有无限能量，因此不可能物理实现。另一方面，指数截止艾里波束具有有限能量，因此可以物理实现，并且，人们证明在相对长的传播距离内具有近似无衍射特性和横向自加速特性。

在光学区域，可以找到很多产生艾里光束的例子，它们大多利用了空间光调制器。在射频区域，利用超材料基透镜可以产生艾里波束，但是，它不是一种艾里波束产生装置，它只是对入射波束进行了幅度相位调制，然后产生了艾里波束。

在射频区域，使用天线阵列产生艾里波束的方法具有更多灵活性，因此它更有吸引力，并且，由于在近场区域具有波束合成能力，它适用于现代大规模MIMO通信系统，无线能量传输系统和安全通信系统。

目前使用偶极子阵列产生来指数衰减艾里波束。这种方法只具有理论意义，并且它只限于使用偶极子单元天线。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可以选择独立天线阵列或者自适应天线阵列作为发射装置，通过馈电网络精确地对每个常规天线单元进行馈电，利用天线阵列生成艾里波束的装置。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种使用天线阵列产生射频准艾里波束的装置，包括馈电网络和与馈电网络相连接的多个天线单元。

进一步地，所述天线单元的激励系数w_n通过对每个采样点的艾里函数进行采样得到；其中，x₀是横向比例因子；x_a，n为采样坐标；n∈{1，..，N}，N表示天线单元的总数量。

进一步地，所述馈电网络包括多个层级结构：第一层级用于提供馈电信号给天线单元；其余层级用于对前一层级所需的馈电信号进行控制，均采用功分器；

所述第一层级结构包括多个子馈电网络，每个子馈电网络包括多个馈电单元，每个馈电单元包括两个四分之一波长传输线和一个匹配传输线；

每个天线单元末端与第一四分之一波长传输线的首端相连；第一四分之一波长传输线的末端分别与匹配传输线首端和前一个馈电单元的第二四分之一波长传输线的末端相连；

子馈电网络最末端的匹配传输线的末端通过输入阻抗连接第二层级的功分器；

其余层级的功分器分别连接其上一层级和下一层级的功分器。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种生成射频准艾里波束的方法，该波束沿横轴呈艾里函数分布。可以选择独立天线阵列或者自适应天线阵列作为发射装置，通过馈电网络精确地对每个常规天线单元进行馈电。已知目标艾里波束，可以计算出每个单元的激励系数。此外，基于多层级设计策略和阻抗优化，本发明也提供了一种合适且有效地设计天线阵列馈电网络的方法。最终，利用天线阵列生成了一种波束，该波束在一定传播范围内具有横向自加速特性和近似无衍射特性，因此可以认为生成准艾里波束。

附图说明

图1为在z＝0处沿横轴x的截止艾里波束分布，并且等值线图描述了波束在xz平面内的传播情况；

图2为本发明的使用天线阵列产生射频准艾里波束的装置的结构示意图；

图3展示了如图2所示的天线阵列实现方案，即采用微带贴片天线作为阵列单元；

图4展示了如图2所示馈电网络结构的模块分布方案，即采用多层级的拓扑结构；

图5为了实现图4所示的第一层级馈电网络，提出两种单元分配方案，如图5所示；

图6给出了如图4所示次级馈电网络的电路分析图；

图7给出了如图4所示天线阵列的仿真结果，其馈电网络按照图4-6所描述的步骤进行设计。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。

本发明的装置可以通过微波/毫米波天线阵列系统实现，并且，为了生成目标波束，需要对每个单元进行精确地馈电。通过对艾里波束场(位于传播方向的初始位置处)进行离散处理，可以得到阵列的馈电信息。最终，使用馈电系数作为自适应阵列的激励系数或者设计独立天线阵列的馈电网络。

如图1所示，一种使用天线阵列产生射频准艾里波束的装置，包括馈电网络和与馈电网络相连接的多个天线单元。

进一步地，所述天线单元的激励系数w_n通过对每个采样点的艾里函数进行采样得到；其中，x₀是横向比例因子；x_a，n为采样坐标；n∈{1，..，N}，N表示天线单元的总数量。

如图2展示了艾里波束场传播。截取理想艾里波束4(具有无限能量)，其截取尺寸为D，其截取部位如图所示，然后使用3(截止波束)作为初始信息(包括幅度和相位信息)，产生了射频准艾里波束场2，它从z＝0处开始传播，在一定传播范围内，与无衍射解对应的理想艾里波束的行为近似，其中，s＝x/x₀表示归一化横向坐标，x₀是任意的横向比例因子，是归一化传播距离(k表示波数)。

致力于产生准艾里波束的天线阵列由N个辐射单元5组成，它们可以沿某一特定方向均匀分布或者非均匀分布。并且，馈电网络6可以提供各单元所需要的激励系数w_n，如图1中7所示。

设天线单元的横向坐标值为x_a，n(即各单元的位置坐标，也即采样坐标)，接着对横向坐标值进行归一化处理得到一系列激励系数幅度值基于艾里函数特性，它们的相位值为0°或者180°，最终得到了各单元激励系数w_n，n∈{1，..，N}，并利用它们设计天线阵列产生准艾里波束2。

根据图2中的示意图，可以使用常规天线单元组成有限孔径阵列，并且根据需求，产生出不同的极化波。

如图3所示，作为常规天线中的一种，本发明利用微带贴片天线作为阵列单元组成有限孔径阵列。该阵列由N个天线单元8组成，其位于介质基板9上，然后是地板10和馈电网络11。一些天线单元可以通过旋转180°来实现反相，这样有助于简化馈电网络设计，如图3中的12处所示。此外，当单元所需馈电幅度接近于0时，在不影响结果的情况下，可以移除该单元以简化设计，例如图3中的13处。

进一步地，所述馈电网络包括多个层级结构：第一层级用于提供馈电信号给天线单元；其余层级用于对前一层级所需的馈电信号进行控制，均采用功分器；

所述第一层级结构包括多个子馈电网络，每个子馈电网络包括多个馈电单元，每个馈电单元包括两个四分之一波长传输线和一个匹配传输线；

每个天线单元末端与第一四分之一波长传输线的首端相连；第一四分之一波长传输线的末端分别与匹配传输线首端和前一个馈电单元的第二四分之一波长传输线的末端相连；

子馈电网络最末端的匹配传输线的末端通过输入阻抗连接第二层级的功分器；

其余层级的功分器分别连接其上一层级和下一层级的功分器。

如图4所示，本实施例中的馈电网络采用三个层级结。其中，第一层级14提供馈电信号给天线单元组15，进而合成次一级网络16(可以再分为其它次一级网络)，它控制着能够满足不同天线组的馈电信号。第二层级中的功分器是一个1分3的结构，与子馈电网络的入口相连接，第三层级的功分器是一个1分2的结构，与第二层级的功分器的入口相连接。

另外，如图5所示，可以采用其它的方式来划分天线阵列单元：每个天线组由离散同一个艾里函数波瓣18所得到的分布点组成(这是一种非均匀采样方式)，或者每个天线组由等数量的天线单元19组成(便于分块处理)。对于第一种情况，利用高度对称性，可以通过选择天线单元位置x_a，n来简化次级馈电网络的设计工作。

如图6所示，通过使用级联或者并联的方式可以完成第一层级每组馈电网络的设计工作。每个天线单元(由通用负载电阻Z_L20表示)与第一四分之一波长传输线Z_q，n(如图6中21所示)连接。第二四分之一波长传输线22(为了实现阻抗匹配，即与第一节点方程一致，并且通过第二节点方程可以实现符合激励系数分布的馈电能量分布)和具有不同长度的匹配传输线25构成馈电网络的主要部分，它们可以对每个天线单元进行馈电。

通过仿真优化，可以求解节点方程得到Z_b，n和Z_q，n，同时，由于实际加工限制，需要附上条件Z_min≤Z_b，n≤Z_max,和Z_min≤Z_q，n≤Z_max。

采用非均匀能量分布方式设计馈电网络，在完成第一级馈电网络设计后，还需要设计第二级馈电网络(如图4中16所示)。

使用孔径大小D为18λ的微带贴片天线阵列，其馈电网络按照本发明所描述的方法进行设计，然后利用HFSS进行仿真，得到如图7所示结果。可以清晰地看到生成了准艾里波束，并且在一定的传播距离内具有横向自加速特性和近似无衍射特性。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种使用天线阵列产生射频准艾里波束的装置，其特征在于，包括馈电网络和与馈电网络相连接的多个天线单元。

2.根据权利要求1所述的一种使用天线阵列产生射频准艾里波束的装置，其特征在于，所述天线单元的激励系数w_n通过对每个采样点的艾里函数进行采样得到；其中，x₀是横向比例因子；x_a，n为采样坐标；n∈{1，..，N}，N表示天线单元的总数量。

3.根据权利要求1所述的一种使用天线阵列产生射频准艾里波束的装置，其特征在于，所述馈电网络包括多个层级结构：第一层级用于提供馈电信号给天线单元；其余层级用于对前一层级所需的馈电信号进行控制，均采用功分器；

所述第一层级结构包括多个子馈电网络，每个子馈电网络包括多个馈电单元，每个馈电单元包括两个四分之一波长传输线和一个匹配传输线；

每个天线单元末端与第一四分之一波长传输线的首端相连；第一四分之一波长传输线的末端分别与匹配传输线首端和前一个馈电单元的第二四分之一波长传输线的末端相连；

子馈电网络最末端的匹配传输线的末端通过输入阻抗连接第二层级的功分器；

其余层级的功分器分别连接其上一层级和下一层级的功分器。