CN109742555B - 一种空间透镜扫描天线及其波束扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于椭圆旋转抛物面相位分布的空间透镜扫描天线及其波束扫描方法，在波束扫描时，其相位误差随扫描角度的增加不变，因此增益下降缓慢，远优于传统的等光程原理设计的透镜天线；结构简单，加工方便，可用于微波、毫米波、太赫兹等各个频段；无需复杂的有源组件，馈电网络，也避免了复杂的透镜设计，极大地降低了系统复杂度，并提高了设计灵活度；制造成本低，功耗低，无需特殊的散热结构，因此成本和复杂度远低于相控阵、Lunberg透镜和复杂网络多波束天线。

Description

一种空间透镜扫描天线及其波束扫描方法

技术领域

本发明属于天线技术、无线通信技术、雷达技术、成像技术领域, 具体涉及一种基于椭圆旋转抛物面相位分布的空间透镜扫描天线及其波束扫描方法。

背景技术

具有波束扫描和目标跟踪功能力的天线是现代无线通信系统，如雷达、卫星通信、微波通信，以及新一代移动通信等普遍要求。传统的天线扫描通常采用整体机械式旋转扫描，组合Butler矩阵馈电扫描，组合Rotman透镜网络馈电扫描，Lunberg透镜扫描，以及加载了T/R 组件的相控阵扫描等方案。相对而言，机械式旋转扫描天线容易实现，伺服系统发展的比较成熟，因而应用比较多。

机械式旋转扫描天线方式虽然应用较多，但是由于其机械结构体积大、响应不实时，且结构设计复杂，急需替代方案。对于Butler矩阵馈电网络，Rotman透镜网络馈电等实现方式，虽然可以实现多波束扫描但是受馈电网络限制，只能实现离散的几个特定角度的波束，并不能实现连续扫描，同时其馈电网络结构复杂，导致系统整体复杂度也很高。

Lunberg透镜方案可实现多波束，或者通过馈源在球形焦面上的移动实现波束扫描。但是由于其设计原理限制，往往需要在辐射方向设计剖面极高的球形透镜，其剖面高度往往数倍于波长，限制了其应用场合。

传统相控阵天线中，馈电网络与幅相调控系统混合在一起，系统复杂度高，设计限制多，具有效率低、功耗大、且制造成本高昂等缺点，目前主要应用于军事国防领域。

发明内容

与上述类型的多波束/扫描天线架构不同，本发明基于椭圆旋转抛物面相位分布的波束扫描透镜天线采用空间耦合馈电和极薄的电磁透镜，波束扫描通过改变馈源的位置来实现，极大地降低了系统复杂度，并提高了设计灵活度，实现整个半球空间的二维扫描。

一种基于椭圆旋转抛物面相位分布的空间透镜扫描天线及其波束扫描方法；

所述空间扫描天线，包括设置于底部的馈电天线，和位于馈电天线上方的旋转抛物面相位分布的电磁透镜；所述电磁透镜由亚波长相位突变单元按照所需的旋转抛物面相位分布排列而成，每个相位突变单元具有较高的电磁波透射率；所述空间扫描天线，通过平移馈源天线，就可以改变电磁透镜和馈源天线在整个空间扫描天线出射口面处的合成相位梯度，从而控制该空间扫描天线的波束指向；

所述波束扫描方法，包括如下步骤：

步骤1，将高透射率旋转抛物面相位分布的电磁透镜和馈电天线沿着中心轴线平行放置，保证馈电天线在最下方，并且馈源天线在xoz面和yoz面的相位中心到电磁透镜的距离为f_x和f_y；

步骤2，由电磁透镜相位分布和馈源天线相位分布得到总的相位分布；

步骤3，运用步骤2的合成方法，将馈源天线平行于电磁透镜移动，得到在电磁透镜平面处，馈源天线的相位分布，进一步得到相应新的总相位分布；

步骤4，由相位梯度和天线波束的关系，可得合成相位梯度，之后解得方位角和波束扫描的俯仰角。

进一步地，所述步骤2，具体为，由已知的电磁透镜相位分布

和馈源天线相位分布

得到总的相位分布：

进一步地，所述步骤3，具体为，运用步骤2的合成方法，将馈源天线平行于电磁透镜沿x方向平移m，沿y方向平移n，则在电磁透镜平面处，馈源天线的相位分布为：

电磁波穿过电磁透镜后在出射口面处新的合成相位分布如下式所示：

进一步地，所述步骤4，具体为，由合成相位分布，可得合成相位梯度为：

由相位梯度和天线波束的关系，

的指向即为波束的方位角

满足：

解得方位角为：

波束扫描的俯仰角θ_com则由合成相位梯度的大小

得到：

解得：

本发明的有益效果是：

1.本发明所述旋转抛物面相位分布的透镜天线在波束扫描时，其相位误差随扫描角度的增加不变，因此增益下降缓慢，远优于传统的等光程原理设计的透镜天线。

2.本发明所述波束扫描透镜天线结构简单，加工方便，可用于微波、毫米波、太赫兹等各个频段。

3.本发明所述波束扫描透镜天线无需复杂的有源组件，馈电网络，也避免了复杂的透镜设计，极大地降低了系统复杂度，并提高了设计灵活度。

4.本发明所述波束扫描透镜天线制造成本低，功耗低，无需特殊的散热结构，因此成本和复杂度远低于一维相控阵、平面Lunberg透镜和复杂网络一维多波束天线。

附图说明

图1为本发明所述的空间扫描天线的整体结构示意图。

图2为本发明所述的电磁透镜俯视图。

图3为本发明中相位合成示意图。

图4为本发明相位梯度与扫描方位角

和俯仰角θ_com关系示意图。

图5为具体实施过程中馈源辐射到电磁透镜表面处x方向和y方向的功率分布图。

图6为具体实施过程中馈源辐射到电磁透镜表面处x方向和y方向实际相位分布和旋转抛物面x方向和y方向相位近似对比图。

图7为具体实施过程中馈源辐射到电磁透镜表面处x方向和y方向实际相位分布和旋转抛物面x方向和y方向相位误差图。

图8为具体实施过程中馈源天线移动(m,n)＝(0,0)的近场分布。

图9为具体实施过程中馈源天线移动(m,n)＝(0.625f_x,0)的近场分布。

图10为具体实施过程中馈源天线移动(m,n)＝(0.625f_x,0.625f_y)的近场分布。

图11为具体实施过程中馈源天线移动(m,n)＝(0.625√2f_x,0.625f_y) 的近场分布。

图12为具体实施过程中馈源天线移动(m,n)＝(0,0)的归一化方向图。

图13为具体实施过程中馈源天线移动(m,n)＝(0.625f_x,0)的归一化方向图。

图14为具体实施过程中馈源天线移动(m,n)＝(0.625f_x,0.625f_y)的归一化方向图。

图15为具体实施过程中馈源天线移动(m,n)＝(0.625√2f_x,0.625f_y) 的归一化方向图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

一种基于椭圆旋转抛物面相位分布的空间透镜扫描天线及其波束扫描方法。

所述空间扫描天线，如图1所示，包括设置于底部的馈电天线，和位于馈电天线上方的旋转抛物面相位分布的电磁透镜；所述电磁透镜由亚波长相位突变单元按照所需的旋转抛物面相位分布排列而成，如图2所示，每个相位突变单元具有较高的电磁波透射率；所述空间扫描天线，通过平移馈源天线，就可以改变电磁透镜和馈源天线在整个空间扫描天线出射口面处的合成相位梯度，从而控制该空间扫描天线的波束指向。

所述空间扫描天线的设计包括以下步骤：

步骤a，确定馈源天线在xoz面和yoz面的相位中心到电磁透镜的距离f_x和f_y。

步骤b，计算馈源天线在电磁透镜所处平面x方向和y方向的相位分布：

(r_y＝0)

(r_x＝0)

其中r_x和r_y为电磁透镜上点(r_x,r_y)沿x轴和y轴方向到电磁透镜中心点的距离，k₀为空间波数，

为馈源天线的初始相位。

步骤c，计算馈源天线在电磁透镜所在平面的能量分布，本实施例中以电磁透镜中心为0dB参考点，周边功率下降到-10dB为截止点来计算抛物线拟合的范围(-r_x’,r_x’)和(-r_y’,r_y’)，根据步骤b计算的相位分布，对其在(-r_x’,r_x’)和(-r_y’,r_y’)范围内采用抛物线公式的近似表达式：

r_x∈(-r_x',r_x')，(r_y＝0)

r_y∈(-r_y',r_y')，(r_x＝0)

系数a，b依据判定条件min[max|Φ_p(r)-Φ(r)|]，r∈(-r',r')来求得。则馈源天线在电磁透镜处相位分布可用椭圆旋转抛物面

近似代替。

步骤d，对步骤c中得到馈源天线的抛物线相位分布进行互补，设计相位分布为

的电磁透镜1的结构。

所述波束扫描方法，包括如下步骤：

步骤1，将高透射率旋转抛物面相位分布的电磁透镜和馈电天线沿着中心轴线平行放置，保证馈电天线在最下方，并且馈源天线在xoz面和yoz面的相位中心到电磁透镜的距离为f_x和f_y。

步骤2，由已知的电磁透镜相位分布

和馈源天线相位分布

得到总的相位分布：

步骤3，运用步骤2的合成方法，将馈源天线平行于电磁透镜沿 x方向平移m，沿y方向平移n，则在电磁透镜平面处，馈源天线的相位分布为：

电磁波穿过电磁透镜后在出射口面处新的合成相位分布如下式所示：

步骤4，由合成相位分布，可得合成相位梯度为：

由相位梯度和天线波束的关系，则

的指向即为波束的方位角

满足：

解得方位角为：

波束扫描的俯仰角θ_com则由合成相位梯度的大小

得到：

解得：

本发明的实施例如图1所示，馈源天线处于透镜下方20mm左右，对应的xoz面和yoz面的相位中心距离透镜分别为f_x＝20mm，f_y＝23mm。馈源天线2可独立在透镜下方进行平移。图2为本发明中电磁透镜1的俯视图，阵面二维尺寸为100mm×100mm。本发明实例中电磁透镜和馈源天线的工作中心频率为30GHz。图5为馈源在xoz面和yoz面的功率分布图。以min[max|Φ_p(r)-Φ(r)|]为近似准则，得到旋转抛物面方程的系数为：a＝0.4k₀/f_x，b＝0.4k₀/f_y，再结合图5、6、 7可看出，在-10dB功率衰减分布范围内，馈源相位分布与抛物线拟合值之差小于10°。

图8、9、10、11为具体实施过程中馈源天线分别在(m,n)＝(0,0), (0.625f_x,0),(0.625f_x,0.625f_y)和(0.625√2f_x,0.625f_y)时的近场分布图。随着馈源天线的位置变化，近场分布也呈现不同，实现了波束的扫描。

图12、13、14、15为本实施过程中馈源天线分别在(m,n)＝(0,0), (0.625f_x,0),(0.625f_x,0.625f_y)和(0.625√2f_x,0.625f_y)时的远场归一化方向图，该方向图由整个天线系统全波仿真得到，图12显示馈源天线在(m,n)＝(0,0)时，

平面的归一化方向图，波束俯仰角指向为0°；图13为馈源天线在(m,n)＝(0.625f_x,0)时，

面的归一化方向图，波束俯仰角指向为30°；图14为馈源天线在(m,n)＝(0.625f_x,0.625f_y) 时

面的归一化方向图，波束俯仰角指向为45°；图15为馈源天线在(m,n)＝(0.625√2f_x,0.625f_y)时

面的归一化方向图，波束俯仰角指向为60°。方位角仿真结果与理论值吻合良好。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于椭圆旋转抛物面相位分布的空间透镜扫描天线，其特征在于：

所述空间透镜扫描天线，包括设置于底部的馈源天线，和位于馈源天线上方的旋转抛物面相位分布的电磁透镜；所述电磁透镜由亚波长相位突变单元按照所需的旋转抛物面相位分布排列而成，每个相位突变单元具有高电磁波透射率；所述空间透镜扫描天线，通过平移馈源天线，就可以改变电磁透镜和馈源天线在整个空间扫描天线出射口面处的合成相位梯度，从而控制该空间扫描天线的波束指向，实现整个半球空间的二维扫描。

2.一种基于椭圆旋转抛物面相位分布的空间透镜扫描天线的波束扫描方法，其特征在于：所述波束扫描方法，包括如下步骤：

步骤1，将高透射率旋转抛物面相位分布的电磁透镜和馈电天线沿着中心轴线平行放置，保证馈电天线在最下方，并且馈源天线在xoz面和yoz面的相位中心到电磁透镜的距离为f_x和f_y；

步骤2，由电磁透镜相位分布和在电磁透镜平面处馈源天线的相位分布得到总的合成相位分布；

步骤3，运用步骤2的合成方法，将馈源天线平行于电磁透镜移动，得到在电磁透镜平面处，馈源天线的相位分布，进一步得到在出射口面处相应新的总的合成相位分布；

步骤4，可得合成相位梯度，由相位梯度和天线波束的关系，之后解得波束的方位角和波束扫描的俯仰角。

3.根据权利要求2所述的一种基于椭圆旋转抛物面相位分布的空间透镜扫描天线的波束扫描方法，其特征在于：所述步骤2，具体为，确定馈源天线在xoz面和yoz面的相位中心到电磁透镜的距离f_x和f_y；计算馈源天线在电磁透镜所处平面x方向和y方向的相位分布：

其中r_x和r_y为电磁透镜上点(r_x,r_y)沿x轴和y轴方向到电磁透镜中心点的距离，k₀为空间波数，

为馈源天线的初始相位；

计算馈源天线在电磁透镜所在平面的能量分布，以电磁透镜中心为0dB参考点，周边功率下降到-10dB为截止点来计算抛物线拟合的范围(-r_x’,r_x’)和(-r_y’,r_y’)，根据计算的相位分布，对其在(-r_x’,r_x’)和(-r_y’,r_y’)范围内采用抛物线公式的近似表达式：

系数a，b依据判定条件min[max|Φ_p(r)-Φ(r)|]，r∈(-r',r')来求得；则馈源天线在电磁透镜处相位分布可用椭圆旋转抛物面

近似代替；

对得到馈源天线的抛物线相位分布进行互补，设计相位分布为

的电磁透镜的结构；

由已知的电磁透镜相位分布

和馈源天线相位分布

得到总的相位分布：

4.根据权利要求2所述的一种基于椭圆旋转抛物面相位分布的空间透镜扫描天线的波束扫描方法，其特征在于：所述步骤3，具体为，运用步骤2的合成方法，将馈源天线平行于电磁透镜沿x方向平移m，沿y方向平移n，则在电磁透镜平面处，馈源天线的相位分布为：

电磁波穿过电磁透镜后在出射口面处新的合成相位分布如下式所示：

5.根据权利要求2所述的一种基于椭圆旋转抛物面相位分布的空间透镜扫描天线的波束扫描方法，其特征在于：所述步骤4，具体为，由合成相位分布，可得合成相位梯度为：

由相位梯度和天线波束的关系，

的指向即为波束的方位角

满足：

解得方位角为：

波束扫描的俯仰角θ_com则由合成相位梯度的大小

得到：

解得：

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