CN111180888B - 一种聚束随机超材料孔径天线 - Google Patents

一种聚束随机超材料孔径天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种聚束随机超材料孔径天线，包括电磁波分布式激励模块、电磁波随机调控模块，可调控聚束辐射模块和天线辅助模块。电磁波分布式激励模块采用分区域独立结构，实现相干激励及随机激励。电磁波随机调控模块具有多层混合电磁结构，采用半透反结构进行层面设计。可调控聚束辐射模块为多层结构，通过外部激励对有效辐射区域进行控制，实现波束指向偏移和产生多波束。天线辅助模块采用分区隔离和辐射边界一体化设计，实现增强聚束效果，并增加探测模式的数量。本发明可以实现接近探测模式极限容量的随机辐射天线设计，独立相对频率间隔小于0.1％，相对带宽大于30％，天线辐射效率高于78％，探测模式间的相关系数低于0.2。

Description

一种聚束随机超材料孔径天线
技术领域
本发明涉及超材料孔径天线领域，特别涉及一种聚束随机超材料孔径天线。
背景技术
现有的超材料孔径天线主要分为两种，无源超材料孔径天线与有源超材料孔径天线。无源超材料孔径天线采用波导等谐振腔作为馈电系统，将馈入的能量在波导中进行传输。排布在超材料孔径上、具有不用谐振频率的超材料单元从波导中传播的电磁波中耦合能量并辐射，实现不同频点下不相关波束的产生。
有源超材料孔径天线采用有源部件对超材料单元的电磁特征进行调节，通过对调制条件进行设计，宽频带电磁波离散频点上的不相关辐射。
现有的超材料孔径天线至少存在以下问题：
1、现有超材料孔径天线的辐射方向图大多是覆盖前向，即-90°<θ<90°，这使得超材料孔径天线的增益无法得到有效体现，导致应用场景受限；
2、现有超材料孔径天线基于随机排布在超材料孔径上、具有不用谐振频率的超材料单元从宽带电磁波中耦合能量并辐射，实现不同频点下随机波束的产生，单纯依赖这一机制使得超材料孔径天线的辐射效率较低；
3、现有无源超材料孔径天线加工完成后各频率下辐射方向图即确定，无法对辐射波束的范围进行有针对性的调节。
而有源超材料天线的通过有源器件的触发条件可以实现波束调节，但其探测模式容量会严重下降，且探测模式的应用效率比较低。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种聚束随机超材料孔径天线，本发明实现在宽带条件下多频点上不同辐射方向图的设计，提高天线的整体性能，降低设计成本；通过该发明可实现大容量独立测量模式(大宽带，小频率间隔)，同时兼顾了天线增益和探测模式的低相关性。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种聚束随机超材料孔径天线，包括：电磁波分布式激励模块、电磁波随机调控模块、可调控聚束辐射模块和天线辅助模块；
所述的电磁波分布式激励模块，用于接收馈线端的电磁波信号，通过阵列及模式调节结构产生离散频点下具有特征分布的电磁波波束，并将电磁波能量传输给电磁波随机调控模块与可调控聚束辐射模块；
所述的电磁波随机调控模块，用于接收电磁波分布式激励模块传输的电磁波能量，并结合离散频点上的具有特征分布的电磁波进行随机调制，然后使得电磁波在局域空间内辐射；
所述的可调控聚束辐射模块，用于独立接收相干电磁波辐射波束，对相干波束的辐射波束宽度进行控制与辐射；
所述的天线辅助模块具有金属腔体和辐射边界，金属腔体和辐射边界分别用于天线相干辐射与随机辐射部分的隔离与电磁波辐射角度调控。
作为本发明的进一步改进，所述电磁波分布式激励模块为分区域独立结构，包含相干激励部分及随机激励部分；
所述相干激励分区用于产生相干波束，相干波束用于激励可调控聚束辐射模块；
所述随机激励部分进行独立分区，实现不同相干尺度的随机辐射波形；各个独立分区的随机激励部分与相干分区部分能够独立工作或者互相配合。
作为本发明的进一步改进，所述相干激励分区与可调控聚束辐射模块为同步耦合方式。
作为本发明的进一步改进，所述的电磁波随机调控模块具有多层混合电磁结构，用于共同完成高效率电磁波传输与调控；
多层混合电磁结构的每一层均由电磁结构单元与介质材料构成，用于层位间以及层位与其他模块间在离散频点的阻抗匹配以及相位和幅度的调控。
作为本发明的进一步改进，每一个电磁结构单元是一个半透反结构集合体；各个层位上的电磁结构单元为宽带多谐振结构，电磁结构单元间的电磁参数具有低相关系数。
作为本发明的进一步改进，单个的电磁结构单元电磁参数取决于电磁波分布式激励模块的随机激励的电磁波空间分布特征及其频率变化特征两个维度的信息。
作为本发明的进一步改进，所述的可调控聚束辐射模块覆盖整个电磁波分布式激励模块相干激励部分的辐射空间。
作为本发明的进一步改进，所述的可调控聚束辐射模块为多层结构，每层结构由多个电磁波调控单元构成，其通过调节电磁波透射的辐射和相位实现电磁波透射效率的最大化；通过外部激励对有效辐射区域进行控制，从而产生不同空间辐射角度的相干辐射波束；还通过对各个调控单元的控制可以实现波束指向偏移和产生多波束。
作为本发明的进一步改进，所述的天线辅助模块的分区隔离和辐射边界为一体化调整方式，随机辐射的辐射能量空间角度通过辐射边界的设置而进行调整。
该天线的辐射角度调节范围覆盖一个相干角度到180度范围，相对频率间隔小于0.1％，探测模式相关性小于0.2。
相对与现有技术，本发明具有以下技术效果：
本发明一种聚束随机超材料孔径天线，包括电磁波分布式激励模块、电磁波随机调控模块，可调控聚束辐射模块和天线辅助模块。电磁波分布式激励模块采用分区域独立结构，实现相干激励及随机激励。并与可调控聚束辐射模块及电磁波随机调控模块联合设计实现高效率电磁波调控与辐射。电磁波随机调控模块具有多层混合电磁结构，采用半透反结构进行层面设计。可调控聚束辐射模块为多层结构，通过外部激励对有效辐射区域进行控制，实现波束指向偏移和产生多波束。天线辅助模块采用分区隔离和辐射边界一体化设计，实现增强聚束效果，并增加探测模式的数量。本发明在30％的相对带宽内，产生辐射波束范围在一个相干区域到180°范围内任意可调整的聚束随机波束，即在保证辐射方向图随机波动的前提下，将能量集中在特定角度范围内，实现高增益设计；本发明的装置采用半透反方法产生随机波束，可大幅提高超材料孔径天线辐射效率至78％以上，高于目前已有超材料孔径天线辐射效率；本发明的装置可在天线架构固定的条件下，通过触发条件、层位旋转等实现在相同频率下不同辐射方向图的产生，保证了天线的高增益，降低了设计成本；本发明的装置可以实现接近探测模式极限容量的随机辐射天线设计，独立相对频率间隔小于0.1％，相对带宽大于30％，天线辐射效率高于78％，探测模式间的相关系数低于0.2。
附图说明
图1为本发明实施例结构示意图；
图2为本发明实施例结构展开示意图；
图3为本发明实施例所在波段S参数图；
图4为本发明实施例的辐射效率；
图5为本发明实施例不同频率下辐射方向图的相关性系数。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1、图2所示，本发明提供聚束随机超材料孔径天线，包括：电磁波分布式激励模块1、电磁波随机调控模块2、可调控聚束辐射模块3和天线辅助模块4；
所述的电磁波分布式激励模块1采用分区域独立结构，实现相干激励及随机激励。相干激励分区产生相干波束，并与可调控聚束辐射模块联合设计实现相干波束辐射角度的可调控。随机激励部分包含多个可独立调节的独立分区，实现不同相干尺度的随机辐射波形，并与电磁波随机调控模块联合设计实现高效率电磁波调控与辐射。
电磁波分布式激励模块1用于接收馈线端的电磁波信号，通过阵列及模式调节结构产生离散频点下具有特征分布的电磁波辐射模式，将能量高效的传输给电磁波随机调控模块2与可调控聚束辐射模块3；
所述的电磁波随机调控模块2为多层混合电磁结构，采用半透反结构进行层面设计。多层混合电磁结构的每一层均由电磁结构单元与介质材料构成，实现层位间以及层位与其他模块间在离散频点的阻抗匹配，以及相位和幅度的调控。
电磁波随机调控模块2用于高效率接收电磁波分布式激励模块1传输的电磁波能量，并结合离散频点上的具有特征分布的电磁波进行随机调制，然后完成电磁波在局域空间的高效率辐射。
所述的可调控聚束辐射模块3覆盖整个电磁波分布式激励模块相干激励部分的辐射空间，为多层结构，每层结构由多个电磁波调控单元构成，通过外部激励对有效辐射区域进行控制，实现波束指向偏移和产生多波束。
所述的可调控聚束辐射模块3用于独立接收相干电磁波辐射模式，对相干波束的辐射波束宽度进行控制与辐射。
所述的天线辅助模块4采用分区隔离和辐射边界一体化结构，辐射边界采用低剖面设计实现增强聚束效果，并增加探测模式的数量。实现天线相干辐射与随机辐射部分的隔离，与电磁波辐射角度调控。
本发明可以实现具有聚束随机波束的超材料孔径天线设计，即在保持辐射方向图随机波动的同时，将能量集中在某一特定角度范围内，同时实现随机性和能量辐射角度约束；基于透射幅度与相位随机调制与透反结合的设计方法产生随机波束，可大幅提高超材料孔径天线辐射效率；可以通过外触发、层位旋转等，实现在宽带条件下多频点上不同辐射方向图的设计，提高天线的整体性能，降低设计成本；通过该发明可实现大容量独立测量模式(大宽带，小频率间隔)，同时兼顾了天线增益和探测模式的低相关性。
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明：
实施例
一种聚束随机超材料孔径天线，包括：电磁波分布式激励模块1、电磁波随机调控模块2，可调控聚束辐射模块3和天线辅助模块4；
所述的电磁波分布式激励模块1用于接收馈线端的电磁波信号，通过阵列及模式调节结构产生离散频点下具有特征分布的电磁波辐射模式，将能量高效的传输给电磁波随机调控模块2与可调控聚束辐射模块3；
电磁波分布式激励模块1具有分区域独立结构，包含相干激励部分及随机激励部分。相干激励分区用于产生相干波束，该波束用于激励可调控聚束辐射模块3。随机激励部分仍然可以进行独立分区，实现不同相干尺度的随机辐射波形。各个独立分区的随机激励部分与相干分区部分具有独立工作，或者互相配合一起工作的特征。电磁波分布式激励模块1，其相干激励分区与可调控聚束辐射模块3同步耦合设计，在相干波束各种调控状态下均可保证高的电磁波辐射效率。
所述的电磁波随机调控模块2用于高效率接收电磁波分布式激励模块1传输的电磁波能量，并结合离散频点上的具有特征分布的电磁波进行随机调制，然后完成电磁波在局域空间的高效率辐射。
电磁波随机调控模块2，具有多层混合电磁结构，共同完成高效率电磁波传输与调控。
多层混合电磁结构的每一层均有电磁结构单元与介质材料构成，完成的功能包括层位间以及层位与其他模块间在离散频点的阻抗匹配，以及相位和幅度的调控。每一个电磁结构单元是一个半透反结构集合体。
多层混合电磁结构的典型特征在于，各个层位上的电磁结构单元的特征为宽带多谐振结构，电磁结构单元间的电磁参数具有低相关系数。
其实现的匹配是各个独立分区的统计特征，其设计对应于电磁波分布式激励模块1的随机激励部分相互配合。单个的电磁结构单元电磁参数的选取依赖于电磁波分布式激励模块1的随机激励的电磁波空间分布特征及其频率变化特征两个维度的信息。
所述的可调控聚束辐射模块3独立接收相干电磁波辐射模式，对相干波束的辐射波束宽度进行控制与辐射。
可调控聚束辐射模块3覆盖整个电磁波分布式激励模块1相干激励部分的辐射空间。可调控聚束辐射模块3为多层结构，每层结构由多个电磁波调控单元构成，其通过调节电磁波透射的辐射和相位实现电磁波透射效率的最大化。可调控聚束辐射模块3通过外部激励对有效辐射区域进行控制，从而产生不同空间辐射角度的相干辐射波束。可调控聚束辐射模块3通过对各个调控单元的控制可以实现波束指向偏移和产生多波束。
所述的天线辅助模块4通过金属腔体和辐射边界的设计，实现天线相干辐射与随机辐射部分的隔离，与电磁波辐射角度调控。
天线辅助模块4的分区隔离和辐射边界的调整是一体设计。
天线辅助模块4的辐射边界的空间分布具有低剖面和强聚束特征，随机辐射的辐射能量空间角度可以通过辐射边界的设置而进行调整。
其整体辐射的能量主要集中在相干波束范围内；且其在离散频点上产生的探测模式辐射能量的空间分布的相关性可以得到有效控制。该天线的辐射角度调节范围覆盖一个相干角度到180度范围，相对频率间隔小于0.1％，探测模式相关性小于0.2。
如图3至图5所示，本发明所展示的实施例具有三个独立馈电口，有效带宽可以覆盖28GHz-37GHz频带，在小于30MHz的频率间隔上实现相关系数小于0.2的探测模式，该天线可以产生的探测模式数量超过9000个，天线整体辐射效率高于78％。
综上所述，本发明的聚束随机超材料孔径天线，包括电磁波分布式激励模块、电磁波随机调控模块，可调控聚束辐射模块和天线辅助模块。电磁波分布式激励模块采用分区域独立结构，实现相干激励及随机激励。并与可调控聚束辐射模块及电磁波随机调控模块联合设计实现高效率电磁波调控与辐射。电磁波随机调控模块具有多层混合电磁结构，采用半透反结构进行层面设计。可调控聚束辐射模块为多层结构，通过外部激励对有效辐射区域进行控制，实现波束指向偏移和产生多波束。天线辅助模块采用分区隔离和辐射边界一体化设计，实现增强聚束效果，并增加探测模式的数量。本发明可以实现接近探测模式极限容量的随机辐射天线设计，独立相对频率间隔小于0.1％，相对带宽大于30％，天线辐射效率高于78％，探测模式间的相关系数低于0.2。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种聚束随机超材料孔径天线，其特征在于，包括：电磁波分布式激励模块(1)、电磁波随机调控模块(2)、可调控聚束辐射模块(3)和天线辅助模块(4)；
所述的电磁波分布式激励模块(1)，用于接收馈线端的电磁波信号，通过阵列及模式调节结构产生离散频点下具有特征分布的电磁波波束，并将电磁波能量传输给电磁波随机调控模块(2)与可调控聚束辐射模块(3)；
所述的电磁波随机调控模块(2)，用于接收电磁波分布式激励模块(1)传输的电磁波能量，并结合离散频点上的具有特征分布的电磁波进行随机调制，然后使得电磁波在局域空间内辐射；
所述的可调控聚束辐射模块(3)，用于独立接收相干电磁波辐射波束，对相干波束的辐射波束宽度进行控制与辐射；
所述的天线辅助模块(4)具有金属腔体和辐射边界，金属腔体和辐射边界分别用于天线相干辐射与随机辐射部分的隔离与电磁波辐射角度调控；
所述电磁波分布式激励模块(1)为分区域独立结构，包含相干激励部分及随机激励部分；
所述相干激励部分用于产生相干波束，相干波束用于激励可调控聚束辐射模块(3)；
所述随机激励部分进行独立分区，实现不同相干尺度的随机辐射波形；各个独立分区的随机激励部分与相干分区部分能够独立工作或者互相配合；
所述的电磁波随机调控模块(2)具有多层混合电磁结构，用于共同完成高效率电磁波传输与调控；
多层混合电磁结构的每一层均由电磁结构单元与介质材料构成，用于层位间以及层位与其他模块间在离散频点的阻抗匹配以及相位和幅度的调控；
每一个电磁结构单元是一个半透反结构集合体；各个层位上的电磁结构单元为宽带多谐振结构，电磁结构单元间的电磁参数具有低相关系数；
所述的可调控聚束辐射模块(3)覆盖整个电磁波分布式激励模块(1)相干激励部分的辐射空间；
所述的可调控聚束辐射模块(3)为多层结构，每层结构由多个电磁波调控单元构成，其通过调节电磁波透射的辐射和相位实现电磁波透射效率的最大化；通过外部激励对有效辐射区域进行控制，从而产生不同空间辐射角度的相干辐射波束；还通过对各个调控单元的控制可以实现波束指向偏移和产生多波束。
2.根据权利要求1所述的一种聚束随机超材料孔径天线，其特征在于，所述相干激励分区与可调控聚束辐射模块(3)为同步耦合方式。
3.根据权利要求1所述的一种聚束随机超材料孔径天线，其特征在于，单个的电磁结构单元电磁参数取决于电磁波分布式激励模块(1)的随机激励的电磁波空间分布特征及其频率变化特征两个维度的信息。
4.根据权利要求1所述的一种聚束随机超材料孔径天线，其特征在于，所述的天线辅助模块(4)的分区隔离和辐射边界为一体化调整方式，随机辐射的辐射能量空间角度通过辐射边界的设置而进行调整。
5.根据权利要求1所述的一种聚束随机超材料孔径天线，其特征还在于，该天线的辐射角度调节范围覆盖一个相干角度到180度范围，相对频率间隔小于0.1％，探测模式相关性小于0.2。
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