CN111478030B - 一种可重构和差波束形成系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可重构和差波束形成系统及方法，包括用于产生散射波的ka波段标准喇叭和可编程超表面；所述可编程超表面由多个可编程单元组成，所述可编程单元由可重构单元集成二极管构成，根据所需产生的波束来改变二极管的开关状态以得到不同可编程单元的电磁响应；所有可编程单元的电磁响应叠加构成可编程差表面的口面编码；基于该口面编码，所述可编程超表面对经所述标准喇叭照射后产生的散射波进行调控，得到所需定向波束。

Description

一种可重构和差波束形成系统及方法
技术领域
本发明公开了一种基于可编程超表面的Ka波段可重构和差波束形成系统及方法，属于阵列天线技术领域。
背景技术
和差波束被广泛地用于单脉冲雷达中，用以实现目标探测和跟踪。此外和差波束还可用于杂波抑制和信号参数估计等领域。许多产生和差波束的方法已经被提出来，但这些方法大都基于相控阵体制，也即每一个辐射单元都需要一个单独的射频收发通道，这种体制导致了极高的系统软硬件复杂度和成本。稀疏阵和子阵技术可以一定程度上缓解这个问题，但整个口面仍然需要很多射频通道才能实现和差波束。
发明内容
本发明的目：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种可重构和差波束形成系统及方法。
技术方案：一种可重构和差波束形成系统，包括用于产生散射波的ka波段标准喇叭馈源和可编程超表面；所述可编程超表面由多个可编程单元组成，所述可编程单元由可重构单元集成二极管构成，根据所需产生的波束来改变二极管的开关状态以得到不同可编程单元的电磁响应；所有二极管的开关状态构成可编程超表面的口面编码；基于该口面编码，所述可编程超表面对经所述喇叭馈源照射后产生的散射波进行调控，得到所需定向波束。
进一步的，所述喇叭馈源对可编程超表面进行侧面照射。
进一步的，所述喇叭馈源为矩形标准喇叭馈源。
进一步的，所述可重构单元从上至下依次包括金属贴片、第一介质层、用于隔离介质层的金属地层、第二介质层、第三介质层和馈电层，采用穿过金属地层的第一金属柱连接金属贴片和馈电层，采用第二金属柱连接金属贴片与金属地层，并且连通到可重构单元背部。
进一步的，所述二极管的开关状态由第一金属柱和第二金属柱的直流馈电电压决定。
本发明还公开了一种基于可编程超表面的Ka波段可重构和差波束形成方法，包括以下步骤：
步骤1：根据式(1)得到在指定波束方向的条件下可编程超表面的口面相位分布：
其中，θ和分别为指定波束的俯仰角和方位角，ko是自由空间传播常数，φo是初始相位；
步骤2：对步骤1得到的口面相位分布进行离散，得到可编程超表面的口面编码；
步骤3：根据可编程超表面的口面编码，改变二极管的开关状态；
步骤4：ka波段标准喇叭馈源照向经步骤3后的可编程超表面，形成指定方向的波束。
进一步的，在所述步骤2中，当时，编码为“0”；当/>时，编码为“1”。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、本发明通过适当设计可编程超表面的口面编码可以直接实现和差波束，通过切换不同的口面编码来实现和差波束的空间扫描，且本发明无需为每个辐射单元提供射频通道，整个口面只需为照射源提供一个射频通道即可，极大降低了系统复杂度和系统软硬件成本；
2、本发明公开的技术可以极低的系统复杂度和软硬件成本实现和差波束以及和差波束的扫描，促进当今信息化系统的多功能化、集成化以及智能化发展，具有革新性的应用前景。
附图说明
图1为可编程超表面天线的示意图；
图2为可编程超表面单元示意图；
图3为波束控制原理示意图；
图4为和波束的口面相位编码示意图；
图5为可编程超表面产生的和波束的仿真和测试结果示意图；
图6为差波束的口面相位编码示意图；
图7为可编程超表面产生的差波束的仿真和测试结果
图8为可编程超表面产生的和波束扫描结果；
图9为差波束指向-40°示意图；
图10为差波束指向-20°示意图；
图11为差波束指向20°示意图；
图12为差波束指向40°示意图。
具体实施方式
现结合附图和实施例进一步阐述本发明的技术方案。
本发明公开了一种基于可编程超表面的和差波束形成技术，通过适当设计可编程超表面的口面编码可以直接实现和差波束，通过切换不同的口面编码来实现和差波束的空间扫描，本发明无需为每个辐射单元提供射频通道，整个口面只需为照射源提供一个射频通道即可，极大降低了系统复杂度和系统软硬件成本。可编程超表面是由大量亚波长的数字可重构单元组成的一种人工电磁表面，其中每个单元集成了一个开关二极管，从而形成一个可编程单元；所有可编程单元的开关状态组合构成了可编程超表面的口面编码分布，不同的编码分布将产生不同的电磁散射特性。
图1给出了可编程超表面天线的示意图，整个天线系统包括一个ka波段的矩形标准喇叭馈源1和一个可编程超表面2，综合馈源遮挡效应和近场效应等因素对整个天线系统的影响，矩形标准喇叭馈源1放置在与可编程超表面2构成45°夹角且矩形标准喇叭馈源1的口径中心与可编程超表面2中心距离150mm的位置处，该矩形标准喇叭馈源1照射可编程超表面2，可编程超表面2用于调控经矩形标准喇叭馈源1照射后产生的散射波，具体的，该可编程超表面2由400(20×20)个单元结构组成，可编程超表面2的部分单元结构放大图如图1中21所示，单个可编程超表面单元结构如图2所示，具体的，其从上至下依次包括金属贴片21、第一介质层22、用于隔离介质层的金属地层23、第二介质层24、第三介质层25和由微带线及扇型结构组成的馈电层26，采用穿过金属地层23的第一金属柱27连接金属贴片21和馈电层26，采用第二金属柱28连接金属贴片21与金属地层23，并且连通到单元背部，每个单元结构集成了一个二极管29，二极管29的开关状态由第一金属柱27和第二金属柱28的直流馈电电压决定，二极管的开关状态对应不同的单元电磁响应。所有单元电磁响应的叠加构成了整个超表面的总体电磁响应，因此，适当设计400个单元的电磁响应状态分布，可以实现对整个超表面电磁响应的控制。
以下对本发明的原理进行说明：
假设超表面在源的照射下产生一个定向波束，如图3所示，则需满足如下方程：
其中，θ和分别为定向波束的俯仰角和方位角，ko是自由空间传播常数，φo是初始相位。利用上述方程即可在指定波束方向的条件下给出超表面的口面相位分布。由于可编程超表面单元的反射相位仅有两种可能的值，因此还需对得到的相位分布进行离散，离散后即可得到超表面口面编码。不失一般性，令/>时，编码为“0”；令/>时，编码为“1”。
图4给出了产生和波束的超表面口面编码，其中浅灰方块代表1，即二极管导通；深灰代表0，即二极管截止。图5给出了仿真和测试的和波束远场图，两者吻合的很好。
图6给出了产生差波束的超表面口面编码，其中浅灰方块代表1，即二极管导通；深灰代表0，即二极管截止。图7给出了仿真和测试的差波束远场图，两者吻合的很好。
图8给出了和波束从-60°扫描到60°的测试结果，扫描步进为10°。测试结果证明了可编程超表面可以对和波束进行有效的波束扫描。
图9至图12给出了差波束的从-40°到40°的扫描结果。测试结果证明可编程超表面可以对差波束进行有效的波束扫描。

Claims (5)

1.一种可重构和差波束形成方法，其特征在于：包括以下步骤：
构建可重构和差波束系统，该系统包括用于产生散射波的ka波段标准喇叭馈源和可编程超表面；所述可编程超表面由多个可编程单元组成，所述可编程单元由可重构单元集成二极管构成，所述可重构单元从上至下依次包括金属贴片、第一介质层、用于隔离介质层的金属地层、第二介质层、第三介质层和馈电层，采用穿过金属地层的第一金属柱连接金属贴片和馈电层，采用第二金属柱连接金属贴片与金属地层，并且连通到可重构单元背部；
根据所需产生的波束来改变二极管的开关状态以得到不同可编程单元的电磁响应；所有二极管的开关状态构成可编程超表面的口面编码；
基于该口面编码，所述可编程超表面对经所述喇叭馈源照射后产生的散射波进行调控，得到所需和差波束；
当需要形成指定方向的和差波束时，按照以下步骤得到：
步骤1：根据式(1)得到在指定波束方向的条件下可编程超表面的口面相位分布：
其中，Si为喇叭馈源到第i个可编程单元的距离，S0为喇叭馈源到可编程超表面中心的距离，θ和分别为指定波束的俯仰角和方位角，ko是自由空间传播常数，φo是初始相位；
步骤2：对步骤1得到的口面相位分布进行离散，得到可编程超表面的口面编码；
步骤3：根据可编程超表面的口面编码，改变二极管的开关状态；
步骤4：ka波段标准喇叭馈源照向经步骤3后的可编程超表面，形成指定方向的和差波束。
2.根据权利要求1所述的一种可重构和差波束形成方法，其特征在于：所述喇叭馈源对可编程超表面进行侧面照射。
3.根据权利1所述的一种可重构和差波束形成方法，其特征在于：所述喇叭馈源为矩形标准喇叭馈源。
4.根据权利要求1所述的一种可重构和差波束形成方法，其特征在于：所述二极管的开关状态由第一金属柱和第二金属柱的直流馈电电压决定。
5.根据权利要求1所述的一种可重构和差波束形成方法，其特征在于：在所述步骤2中，当时，编码为“0”；当/>时，编码为“1”。
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