CN112736482B - 一种矩形波束赋形的全息人工阻抗表面 - Google Patents

一种矩形波束赋形的全息人工阻抗表面 Download PDF

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CN112736482B CN202011562587.7A CN202011562587A CN112736482B CN 112736482 B CN112736482 B CN 112736482B CN 202011562587 A CN202011562587 A CN 202011562587A CN 112736482 B CN112736482 B CN 112736482B
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Abstract

本发明公开了一种矩形波束赋形的全息人工阻抗表面，属于天线及超表面技术领域。本发明由全息人工阻抗表面阵面和四个位于阵面中心的单极子馈源及其馈电网络组成。其中，全息人工阻抗表面阵面由金属贴片周期性排布组成；四个单极子馈源分为两对，分别沿水平，垂直方向正交放置，每对馈源之间形成差分激励，工作在30GHz。本发明提供的方案能实现全息人工阻抗表面上半空间的矩形波束赋形，赋形增益为14.75dBi，水平方向及垂直方向的3dB波束宽度均为20度，确保具有矩形赋形方向图快速跌落且易于实现的新型人工阻抗表面的波束赋形方法。

Description

一种矩形波束赋形的全息人工阻抗表面
技术领域
本发明属于天线及超表面技术领域，具体涉及一种矩形波束赋形的全息人工阻抗表面。
背景技术
天线作为接收和发送无线电波的基本装置，是无线通信系统的重要组成部分。在移动通信技术中，通常将一个较大的服务区域划分为多个小区域，分别提供移动通信服务，而每个小区域都需要配备一台收发无线信号的天线。但是，普通天线的覆盖区域为圆形，为有效覆盖相应区域，不同发射天线辐射的电磁波便形成一定的交叠，从而使处于交叠区的终端设备由于会接收到多路存在波达时刻不同的信号而形成干扰。因此，这就对矩形波束赋形天线提出了需求：在提高特定区域范围内无线信号强度的同时，要抑制相邻区域之间的同频干扰，即要求矩形波束赋形天线在半功率角外波瓣能够迅速跌落。以上特点使波束赋形天线能有效消除相邻复用区域的覆盖重叠或盲区，使小区边界尽量清晰。
文献“A Switched Beam Antenna with Shaped Radiation Pattern andInterleaving Array Architecture”公开了一种六波束组合矩形波束天线，基于阵列合成方法，采用非均匀间隔阵列，通过优化阵列激励幅度从而实现近似的矩形波束，并且在方位角平面实现一致的增益和良好的干扰抑制，但是体积较大且馈电网络复杂。
文献“Shaped Power Pattern Synthesis of a Linear Dipole Array byElement Rotation and Phase Optimization Using Dynamic Differential Evolution”公开了一种利用动态微分法的全局优化方法，通过优化偶极子单元旋转角度和激励相位从而实现线性偶极子阵列进行矩形波束赋形的方法，大大降低了馈电网络的复杂性，且交叉极化及副瓣电平抑制良好；但由于通过旋转偶极子单元来增加波束赋形自由度，工程实现不易保证。
目前，现有技术是采用阵列天线技术优化设计天线的口面场分布从而得到期望的远场波束赋形形状，但是在矩形赋形效果、方向图跌落、副瓣抑制、馈电网络复杂程度以及重量体积等方面还有不足之处。
人工超表面具有一些常规材料不具有的特殊性质，与传统微波射频器件形成优势互补，为改善天线的性能提供了新的解决方案。而全息人工阻抗表面作为一种人工超表面，将光学的全息理论与技术和人工超表面工作原理相结合，具有馈电网络简单，物理剖面低，良好的共形能力等特点，因而，在天线中引入这类结构能克服传统天线的相应不足。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种矩形波束赋形的全息人工阻抗表面。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：
一种矩形波束赋形的全息人工阻抗表面，包括全息人工阻抗表面阵面、第二介质基板8、金属墙9、第二金属地板10和馈电网络；
全息人工阻抗表面阵面包括周期性排布的方形金属贴片1、第一介质基板6和第一金属地板7；周期性排布的方形金属贴片1的行数和列数为N，N为偶数，与中心距离最近的四个方形金属贴片缺损；方形金属贴片1位于第一介质基板6的上表面，第一金属地板7位于第一介质基板6的下表面；
第二介质基板8位于第一金属地板7的下方且留有空隙，第二金属地板10位于第二介质基板8的下表面；金属墙9环绕第二介质基板8，且分别与第一金属地板7和第二金属地板10连接，从而构成金属腔体，在金属腔体内部填充空气；
馈电网络包括四个单极子馈源2、3、4、5、四个50Ω传输线和四个SMA接头11、12、13、14；四个50Ω传输线位于第二介质基板8的上表面；单极子馈源2、3、4、5位于全息人工阻抗表面阵面的四个方形金属贴片缺损位置；第一单极子馈源2由第一50Ω传输线引出，通过金属焊盘连接至第一SMA接头11；第二单极子馈源3由第二50Ω传输线引出，通过金属焊盘连接至第二SMA接头12；第三单极子馈源4由第三50Ω传输线引出，通过金属焊盘连接至第三SMA接头13；第四单极子馈源5由第四50Ω传输线引出，通过金属焊盘连接至第四SMA接头14。
第一单极子馈源2和第三单极子馈源4沿垂直方向关于阵面中心对称分布，第二单极子馈源3和第四单极子馈源5沿水平方向关于阵面中心对称分布；第一50Ω传输线和第三50Ω传输线沿垂直方向呈中心对称分布，第二50Ω传输线和第四50Ω传输线沿水平方向呈中心对称分布。
四个单极子馈源的激励幅度相同，第一单极子馈源2和第二单极子馈源3的激励相位相同，第三单极子馈源4和第四单极子馈源5的激励相位相同，第一单极子馈源2和第三单极子馈源4的激励相位相差180度，通过多馈源的引入形成多波束，通过多波束的叠加从而形成方位角平面法向方向的近似矩形波束。
不同方形金属贴片的尺寸不同，第一金属地板7的边长/N和方形金属贴片1的边长差为g，g随工作频率和方形金属贴片的位置变化。
第一介质基板6、第一金属地板7、第二介质基板8和第二金属地板10的形状均为方形，且第二介质基板8的边长＜第二金属地板10的边长＜第一介质基板6的边长＝第一金属地板7的边长。
g的求取方法为：
步骤1.对金属贴片单元进行阻抗提取，金属贴片单元包括方形金属贴片和对应的介质基板和金属地板，介质基板和金属地板的边长为第一介质基板6的边长/N；
以g作为变量，在电磁仿真软件中设置弗洛奎周期边界条件进行仿真，得到一组g与金属贴片单元表面阻抗Zsurf的对应数据，对数据进行曲线拟合建立g与表面阻抗Zsurf的关系：
Figure BDA0002861173470000031
步骤2.根据全息人工阻抗表面中馈源场、辐射波场及方形金属贴片的位置确定每个金属贴片单元的表面阻抗；
令阵面中心为坐标原点，水平和垂直方向分别为X轴与Y轴，馈源的场表示为：
Figure BDA0002861173470000032
Figure BDA0002861173470000033
Figure BDA0002861173470000034
Figure BDA0002861173470000035
其中，x和y分别为横纵坐标，j为虚部符号，kt为位于全息人工阻抗表面上的横向传播常数，kt＝243.87m-1，d1、d2、d3和d4分别为四个馈源与坐标原点的距离；
Figure BDA0002861173470000036
为第一单极子馈源2和第二单极子馈源3的初始相位，
Figure BDA0002861173470000037
Figure BDA0002861173470000038
为第三单极子馈源4和第四单极子馈源5的初始相位，
Figure BDA0002861173470000039
四个单极子馈源馈电后达到的辐射效果相同，因此其辐射场形式相同，全息人工阻抗表面中辐射波场为：
Figure BDA00028611734700000310
其中，k为自由空间波的传播常数，
Figure BDA00028611734700000311
为辐射波束的方位角，θL为辐射波束的俯仰角，
Figure BDA00028611734700000312
为辐射波束的相位；
确定不同位置的金属贴片单元的表面阻抗值：
Figure BDA00028611734700000313
其中，
Figure BDA00028611734700000314
M＝0.15，Re表示取实部，上标*表示取共轭；
步骤3.将步骤2中求得的表面阻抗值代入步骤1中，求取不同位置的金属贴片单元对应的g值。
本发明的有益效果是：
本发明所述全息人工阻抗表面将全息人工阻抗表面(超表面)应用于矩形波束赋形中，相较于现有的采用阵列幅度加权来实现矩形波束赋形的方法，利用全息理论，根据所求的辐射场与设定的馈源场来确定阵列单元尺寸且采用简单的单极子馈电，通过多馈源在法向方向附近产生多波束，进行波束叠加，从而形成矩形波束。在精确设计阵列，实现矩形波束赋形的同时，避免复杂的阵列馈电幅度与相位的优化计算及设计。
附图说明
图1为本发明所述全息人工阻抗表面的俯视图；
图2为本发明所述全息人工阻抗表面的侧视图；
图3为实施例中四个单极子馈源及50Ω传输线的结构示意图；
图4为实施例中金属贴片单元的结构示意图；
图5为实施例中g值随单元表面阻抗变化的拟合曲线示意图；
图6为实施例所述全息人工阻抗表面馈源3，5分别和同时馈电时在30GHz的XOZ面辐射方向图；
图7为实施例所述全息人工阻抗表面馈源2，4分别和同时馈电时在30GHz的YOZ面辐射方向图；
图8为实施例所述全息人工阻抗表面馈源1，3同幅反相，馈源2，4同幅反相馈电时在30GHz的XOZ，YOZ面辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
本实施例提供一种矩形波束赋形的全息人工阻抗表面，其俯视图如图1所示，侧视图如图2所示，包括全息人工阻抗表面阵面、第二介质基板8、金属墙9、第二金属地板10和馈电网络；
全息人工阻抗表面阵面包括52×52周期性排布的方形金属贴片1、第一介质基板6和第一金属地板7；周期性排布的方形金属贴片1与中心距离最近的四个方形金属贴片缺损；方形金属贴片1位于第一介质基板6的上表面，第一金属地板7位于第一介质基板6的下表面；第一介质基板6的边长为52*2＝104mm，厚度h＝0.508mm，相对介电常数εr＝2.2。全息人工阻抗表面阵面的大小为104mm×104mm，初始阵元个数为52×52，对馈电结构处缺损的阵元进行考察后，最终阵元个数确定为2700。
第二介质基板8位于第一金属地板7的下方并留有空隙，第二金属地板10位于第二介质基板8的下表面；金属墙9环绕第二介质基板8，且分别与第一金属地板7和第二金属地板10连接，从而构成金属腔体，在金属腔体内部填充空气；第二金属地板10的厚度为2.2mm，金属墙9厚度为1.023mm，宽度为3.5mm，其目的是使馈电网络的射频地即第二金属地板10与全息表面的射频地即第一金属地板7相连。
馈电网络包括四个单极子馈源2、3、4、5、四个50Ω传输线和四个SMA接头11、12、13、14；四个50Ω传输线位于第二介质基板8的上表面；单极子馈源2、3、4、5位于全息人工阻抗表面阵面的四个方形金属贴片缺损位置；第一单极子馈源2由第一50Ω传输线引出，通过金属焊盘连接至第一SMA接头11；第二单极子馈源3由第二50Ω传输线引出，通过金属焊盘连接至第二SMA接头12；第三单极子馈源4由第三50Ω传输线引出，通过金属焊盘连接至第三SMA接头13；第四单极子馈源5由第四50Ω传输线引出，通过金属焊盘连接至第四SMA接头14。
第一单极子馈源2和第三单极子馈源4沿垂直方向关于阵面中心对称分布，第二单极子馈源3和第四单极子馈源5沿水平方向关于阵面中心对称分布；四个50Ω传输线的结构示意图如图3所示，第一50Ω传输线和第三50Ω传输线沿垂直方向呈中心对称分布，第二50Ω传输线和第四50Ω传输线沿水平方向呈中心对称分布。馈源高度hg＝7.508mm，顶点距第一介质基板的上表面hf＝5.969mm，距阵面中心d＝1.42mm。
四个单极子馈源的激励幅度相同，第一单极子馈源2和第二单极子馈源3的激励相位相同，第三单极子馈源4和第四单极子馈源5的激励相位相同，第一单极子馈源2和第三单极子馈源4的激励相位相差180度，通过多馈源的引入形成多波束，通过多波束的叠加从而形成方位角平面法向方向的近似矩形波束。
不同方形金属贴片的尺寸不同，第一金属地板7的边长/N和方形金属贴片1的边长差为g，g随工作频率和方形金属贴片的位置变化。
第一介质基板6、第一金属地板7、第二介质基板8和第二金属地板10的形状均为方形，且第二介质基板8的边长＜第二金属地板10的边长＜第一介质基板6的边长＝第一金属地板7的边长。
g的求取方法为：
步骤1.对金属贴片单元进行阻抗提取，金属贴片单元的结构示意图如图4所示，金属贴片单元包括方形金属贴片和对应的介质基板和金属地板，介质基板和金属地板的边长为第一介质基板6的边长/N；
以g作为变量，在电磁仿真软件中设置弗洛奎周期边界条件进行仿真，得到一组g与金属贴片单元表面阻抗Zsurf的对应数据，对数据进行曲线拟合建立g与表面阻抗Zsurf的关系：
Figure BDA0002861173470000051
g值随单元表面阻抗变化的拟合曲线示意图如图5所示。
步骤2.根据全息人工阻抗表面中馈源场、辐射波场及方形金属贴片的位置确定每个金属贴片单元的表面阻抗；
令阵面中心为坐标原点，水平和垂直方向分别为X轴与Y轴，馈源的场表示为：
Figure BDA0002861173470000061
Figure BDA0002861173470000062
Figure BDA0002861173470000063
Figure BDA0002861173470000064
其中，x和y分别为横纵坐标，j为虚部符号，kt为位于全息人工阻抗表面上的横向传播常数，kt＝243.87m-1，d1、d2、d3和d4分别为四个馈源与坐标原点的距离；
Figure BDA0002861173470000065
为第一单极子馈源2和第二单极子馈源3的初始相位，
Figure BDA0002861173470000066
Figure BDA0002861173470000067
为第三单极子馈源4和第四单极子馈源5的初始相位，
Figure BDA0002861173470000068
四个单极子馈源馈电后达到的辐射效果相同，因此其辐射场形式相同，全息人工阻抗表面中辐射波场为：
Figure BDA0002861173470000069
其中，k为自由空间波的传播常数，
Figure BDA00028611734700000610
为辐射波束的方位角，θL＝0°为辐射波束的俯仰角，
Figure BDA00028611734700000611
为辐射波束的相位；
确定不同位置的金属贴片单元的表面阻抗值：
Figure BDA00028611734700000612
其中，
Figure BDA00028611734700000613
M＝0.15，Re表示取实部，上标*表示取共轭；
步骤3.将步骤2中求得的表面阻抗值代入步骤1中，求取不同位置的金属贴片单元对应的g值。
图6为全息人工阻抗表面30GHz的XOZ面的辐射方向图，从图6的结果可知，当馈源3单独馈电，其他馈源不工作时，主波束方向为偏离法向6度，增益为14.46dBi，且在法向-4度方向副瓣增益为14.11dBi，法向为凹陷状，增益为13.22dBi；当馈源5单独馈电，其他馈源不工作时，主波束方向为偏离法向4度，增益为14.23dBi，且在法向-4度方向副瓣增益为13.98dBi，法向呈凹陷状，增益为13.33dBi；当馈源3，5等幅反相激励时，波束之间叠加，从而形成XOZ平面内法向方向辐射的矩形波束，其中增益为14.53dBi，3dB波束宽度为20°，副瓣电平为6.73dBi。
图7为全息人工阻抗表面30GHz的YOZ面的辐射方向图，从图7的结果可知，当馈源2单独馈电，其他馈源不工作时，主波束方向为偏离法向4度，增益为14.55dBi，且在法向-4度方向副瓣增益为14.21dBi，法向为凹陷，增益为13.55dBi；当馈源4单独馈电，其他馈源不工作时，主波束方向为偏离法向4度，增益为14.62dBi，且在法向-4度方向副瓣增益为14.42dBi，法向也为凹陷，增益为14.36dBi；当馈源2，4等幅反相激励，馈源3，5也为等幅反相激励时，波束之间叠加，从而形成YOZ平面内法向方向辐射的矩形波束，其中增益为14.75dBi，3dB波束宽度为20°，副瓣电平为6.21dBi。
图8为全息人工阻抗表面馈源1，3同幅反相，馈源2，4同幅反相馈电时在30GHz的XOZ，YOZ面辐射方向图。此时，全息人工阻抗表面形成了在上半空间较好的近似矩形波束赋形效果。

Claims (3)

1.一种矩形波束赋形的全息人工阻抗表面，其特征在于，包括全息人工阻抗表面阵面、第二介质基板(8)、金属墙(9)、第二金属地板(10)和馈电网络；
全息人工阻抗表面阵面包括周期性排布的方形金属贴片(1)、第一介质基板(6)和第一金属地板(7)；周期性排布的方形金属贴片(1)的行数和列数为N，N为偶数，与中心距离最近的四个方形金属贴片缺损；方形金属贴片(1)位于第一介质基板(6)的上表面，第一金属地板(7)位于第一介质基板(6)的下表面；
第二介质基板(8)位于第一金属地板(7)的下方且留有空隙，第二金属地板(10)位于第二介质基板(8)的下表面；金属墙(9)环绕第二介质基板(8)，且分别与第一金属地板(7)和第二金属地板(10)连接，从而构成金属腔体，在金属腔体内部填充空气；
馈电网络包括四个单极子馈源(2、3、4、5)、四个50Ω传输线和四个SMA接头(11、12、13、14)；四个50Ω传输线位于第二介质基板(8)的上表面；单极子馈源(2、3、4、5)位于全息人工阻抗表面阵面的四个方形金属贴片缺损位置；第一单极子馈源(2)由第一50Ω传输线引出，通过金属焊盘连接至第一SMA接头(11)；第二单极子馈源(3)由第二50Ω传输线引出，通过金属焊盘连接至第二SMA接头(12)；第三单极子馈源(4)由第三50Ω传输线引出，通过金属焊盘连接至第三SMA接头(13)；第四单极子馈源(5)由第四50Ω传输线引出，通过金属焊盘连接至第四SMA接头(14)；
第一单极子馈源(2)和第三单极子馈源(4)沿垂直方向关于阵面中心对称分布，第二单极子馈源(3)和第四单极子馈源(5)沿水平方向关于阵面中心对称分布；第一50Ω传输线和第三50Ω传输线沿垂直方向呈中心对称分布，第二50Ω传输线和第四50Ω传输线沿水平方向呈中心对称分布；
不同方形金属贴片的尺寸不同，第一金属地板(7)的边长/N和方形金属贴片(1)的边长差为g，g随工作频率和方形金属贴片的位置变化；g的求取方法为：
步骤1.对金属贴片单元进行阻抗提取，金属贴片单元包括方形金属贴片和对应的介质基板和金属地板，介质基板和金属地板的边长为第一介质基板(6)的边长/N；
以g作为变量，在电磁仿真软件中设置弗洛奎周期边界条件进行仿真，得到一组g与金属贴片单元表面阻抗Zsurf的对应数据，对数据进行曲线拟合建立g与表面阻抗Zsurf的关系：
Figure FDA0003455927630000011
步骤2.根据全息人工阻抗表面中馈源场、辐射波场及方形金属贴片的位置确定每个金属贴片单元的表面阻抗；
令阵面中心为坐标原点，水平和垂直方向分别为X轴与Y轴，馈源的场表示为：
Figure FDA0003455927630000021
Figure FDA0003455927630000022
Figure FDA0003455927630000023
Figure FDA0003455927630000024
其中，x和y分别为横纵坐标，j为虚部符号，kt为位于全息人工阻抗表面上的横向传播常数，kt＝243.87m-1，d1、d2、d3和d4分别为四个馈源与坐标原点的距离；
Figure FDA0003455927630000025
为第一单极子馈源2和第二单极子馈源3的初始相位，
Figure FDA0003455927630000026
Figure FDA0003455927630000027
为第三单极子馈源4和第四单极子馈源5的初始相位，
Figure FDA0003455927630000028
四个单极子馈源馈电后达到的辐射效果相同，因此其辐射场形式相同，全息人工阻抗表面中辐射波场为：
Figure FDA0003455927630000029
其中，k为自由空间波的传播常数，
Figure FDA00034559276300000210
为辐射波束的方位角，θL为辐射波束的俯仰角，
Figure FDA00034559276300000211
为辐射波束的相位；
确定不同位置的金属贴片单元的表面阻抗值：
Figure FDA00034559276300000212
其中，
Figure FDA00034559276300000213
M＝0.15，Re表示取实部，上标*表示取共轭；
步骤3.将步骤2中求得的表面阻抗值代入步骤1中，求取不同位置的金属贴片单元对应的g值。
2.根据权利要求1所述的矩形波束赋形的全息人工阻抗表面，其特征在于，四个单极子馈源的激励幅度相同，第一单极子馈源(2)和第二单极子馈源(3)的激励相位相同，第三单极子馈源(4)和第四单极子馈源(5)的激励相位相同，第一单极子馈源(2)和第三单极子馈源(4)的激励相位相差180度。
3.根据权利要求1所述的矩形波束赋形的全息人工阻抗表面，其特征在于，第一介质基板(6)、第一金属地板(7)、第二介质基板(8)和第二金属地板(10)的形状均为方形，且第二介质基板(8)的边长＜第二金属地板(10)的边长＜第一介质基板(6)的边长＝第一金属地板(7)的边长。
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