CN112909519A - 方向图可编程超材料阵列天线系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种方向图可编程超材料阵列天线系统，所使用的馈电结构、阵列单元结构和排布方式、波束合成控制方法，电磁波通过底部波导给整个天线系统馈电，波导内部包含慢波结构，慢波结构的引入可以缩小传导波长，通过缩小波导波长，单元缝隙的间距通过工作频率传导波长来确定，电磁波在波导中传输，会产生相应相差，同一时刻不同单元具有不同相位分布，这种分布可以通过改变单元排布方式和单元状态进行调节，电磁波通过单元缝隙激励辐射单元，单元缝隙和辐射单元之间是超材料层，超材料层的状态通过驱动电路系统进行控制，从而控制辐射单元的辐射状态。

Description

方向图可编程超材料阵列天线系统
技术领域
本发明涉及天线及计算通信技术领域，尤其涉及方向图可编程超材料阵列天线系统。
背景技术
现有技术中，只有相控阵天线和可变倾角连续断面节阵列（VICTS）天线可以进行波束的电倾扫描。这两种阵列天线结构复杂、造价昂贵。
对于相控阵天线每个阵列单元通道上都包含移相器和放大器或衰减器。放大器或衰减器实现对每路信号的幅度调控；移相器实现对每路信号的相位调控，并且很难实现连续相位调控。结合相应的相控阵波束合成算法实现波束的电倾扫描。通道上需要为每路放大器设计散热结构，增加了相控阵天线的结构复杂程度；每路移相器会引入较大的插入损耗。因此相控阵天线功耗较大，并且效率较低。
VICTS天线是由两块平板结构组成，一层是由一维网格状的连续横向辐射单元组成，另一层由一个或多个等相馈电线源组成，通过两层结构的旋转实现波束的电倾扫描。VICTS天线结构复杂，无法做到收发一体，天线系统内部需要传动装置，造价昂贵。
方向图可编程超材料阵列天线系统不需要独立的移相器和放大器，不需要机械传动装置，通过驱动电路实现对每个阵列单元的精确调控，驱动电路由相应的波束合成算法控制，实现波束的电倾扫描。驱动电路可以根据不同阵列排布方式烧录不同的波束合成算法。
方向图可编程超材料阵列天线系统包含波导馈电结构，阵列单元层，驱动电路层，超材料层。超材料层包括但不限于液晶天线单元，MEMS天线单元，等离子体天线单元，铁电和压电材料构成的阵列天线单元，以及其它采用电压驱动的超材料天线单元。 阵列排布方式包含矩形栅格，矩形或其它多边形边界；三角形栅格，矩形或其它多边形边界；矩形或三角形栅格，圆形边界，以及圆环或者圆形阵列等。相应波束合成算法包含遗传算法型波束电倾扫描方案，机器学习型波束电倾扫描方案等。
发明内容
本发明提供了方向图可编程超材料阵列天线系统，以解决上述技术问题中提到的问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：方向图可编程超材料阵列天线系统，所使用的馈电结构、阵列单元结构和排布方式、波束合成控制方法，电磁波通过底部波导给整个天线系统馈电，波导内部包含慢波结构，慢波结构的引入可以缩小传导波长，通过缩小波导波长，单元缝隙的间距通过工作频率传导波长来确定，电磁波在波导中传输，会产生相应相差，同一时刻不同单元具有不同相位分布，这种分布可以通过改变单元排布方式和单元状态进行调节，电磁波通过单元缝隙激励辐射单元，单元缝隙和辐射单元之间是超材料层，超材料层的状态通过驱动电路系统进行控制，从而控制辐射单元的辐射状态。
优选的，所述辐射单元结构将波导内的传导电磁波向空间进行辐射，辐射的电磁波在空间进行叠加，形成阵列天线的方向图，通过精确控制每个单元的状态，实现阵列单元在所需指向的叠加。
优选的，所述波导缝隙激励辐射贴片，辐射贴片向空间辐射电磁波。辐射贴片的横向和纵向尺寸根绝传导波长来确定。
优选的，所述超材料层位于辐射单元和波导缝隙之间，超材料层在不同电压下呈现不同的介电特性，通过驱动控制电路调控每个辐射单元的辐射能力，从而使得天线阵列单元实现不同的幅度分布。阵列天线单元通过相位和幅度的调控实现波束的电倾扫描。
优选的，方向图控制流程具体包括以下步骤：根据需求计算机产生一个期望方向图分布。单元状态分布作为算法初始条件输入算法，通过波束合成算法计算得到实际阵列方向图分布，比较实际方向图和期望方向图，通过判据决定阵列状态是否输出，输出的阵列天线单元状态分布通过驱动电路进行调控.
优选的，约束期望方向图的主要因素包含波束指向、阵列增益、方向图副瓣水平。期望方向图产生方式：根据波束指向、阵列增益、方向图副瓣确定单元移相量、单元数目、窗函数，通过上述参数和单元间距计算得到方向图函数初始值。
优选的，波束合成算法通过阵列单元的辐射能力和阵列单元相位分布，计算得到相应的波束指向，不同阵列排布可以有多种波束合成算法。
与现有技术相比，本发明提供的波束电倾扫描天线系统，相对于机械型的波束扫描天线系统，具有天线系统轮廓低，重量更小，不含有任何机械传动装置，便于携带等优势。相对于相控阵天线系统不包含任何移相器和放大器（或衰减器），不需要额外的散热装置，功耗更低，造价更低。通过阵列排布可以实现收发天线一体化，同时可以独立实现左旋圆极化和右旋圆极化，口面利用效率更高。
附图说明
图1方向图可编程超材料阵列天线系统底层馈电结构；
图2方向图可编程超材料阵列天线单元结构；
图3方向图可编程超材料阵列天线系统辐射单元结构；
图4方向图可编程超材料阵列天线系统三角阵列排布方式；
图5方向图可编程超材料阵列天线系统矩形阵列排布方式；
图6方向图可编程超材料阵列天线系统环形阵列排布方式；
图7方向图可编程超材料阵列天线系统阵列方向图控制流程图。
具体实施方式
本发明提供一种波束电倾扫描天线系统及装置，包含所使用的馈电结构、阵列单元结构和排布方式、波束合成控制方法。具体实施方式包括：
如图1所示电磁波通过底部波导给整个天线系统馈电，波导形状包含但不仅限于矩形结构、平行板结构、脊波导。波导内部包含慢波结构，慢波结构包括但不限于矩形槽结构、介质结构。慢波结构的引入可以缩小传导波长，通过缩小波导波长，单元缝隙的间距通过工作频率传导波长来确定。当电磁波传至末端时，剩余能量被匹配负载吸收。
电磁波在波导中传输，会产生相应相差，同一时刻不同单元具有不同相位分布，这种分布可以通过改变单元排布方式和单元状态进行调节。利用电磁波的传导引入电倾扫描所需的部分相差。另一部分相差由单元辐射传输波程差引入。
电磁波在传输过程中如图2所示，电磁波通过单元缝隙激励辐射单元，单元缝隙和辐射单元之间是超材料层。超材料层的状态通过驱动电路系统进行控制，从而控制辐射单元的辐射状态。
辐射单元结构将波导内的传导电磁波向空间进行辐射，辐射的电磁波在空间进行叠加，形成阵列天线的方向图，通过精确控制每个单元的状态，实现阵列单元在所需指向的叠加。
如图3所示，是单元结构的一种实施例，波导缝隙激励辐射贴片，辐射贴片向空间辐射电磁波。辐射贴片的横向和纵向尺寸根绝传导波长来确定。辐射单元为形状包含但不仅限于矩形金属贴片、矩形切角金属贴片、圆形、对数周期型金属贴片。金属贴片材质包含但不仅限于金、银、铜、铝等导电率较高的材质。
超材料层包含但不限于液晶天线单元，MEMS天线单元，等离子体天线单元，铁电和压电材料构成的阵列天线单元，以及其它采用电压驱动的超材料天线单元。超材料层位于辐射单元和波导缝隙之间，超材料层在不同电压下呈现不同的介电特性，通过驱动控制电路调控每个辐射单元的辐射能力，从而使得天线阵列单元实现不同的幅度分布。阵列天线单元通过相位和幅度的调控实现波束的电倾扫描。
如图4所示是一种阵列排布方式实施例，相邻单元间成等边三角形排布，间距由传导波长来确定。
如图5所示是一种阵列排布方式实施例，相邻单元间距传导波长来确定。
如图6所示是一种阵列排布方式实施例，单元成环形排布，每两个环形之间间距为传到波长的一部分，在外环，随着环上单元间距大于λ/3时，需要2两个单元之间插一个单元。
图7是一种方向图控制流程。首先根据需求计算机产生一个期望方向图分布。单元状态分布作为算法初始条件输入算法，通过波束合成算法计算得到实际阵列方向图分布，比较实际方向图和期望方向图，通过判据决定阵列状态是否输出。输出的阵列天线单元状态分布通过驱动电路进行调控。
约束期望方向图的主要因素包含波束指向、阵列增益、方向图副瓣水平。期望方向图产生方式：根据波束指向、阵列增益、方向图副瓣确定单元移相量、单元数目、窗函数，通过上述参数和单元间距计算得到方向图函数初始值。
波束合成算法通过阵列单元的辐射能力和阵列单元相位分布，计算得到相应的波束指向。不同阵列排布可以有多种波束合成算法，其中一种实施例是遗传算法型波束电倾扫描方案，首先阵列状态分布通过随机序列产生，利用初始状态计算得到天线阵列方向图，新的方向图与期望方向图比较，符合判据则输出，不符合判据，阵列状态进行交叉变异，重新计算方向图，直至计算出一个符合判据要求的方向图，计算终止。
波束合成算法其中一种实施例是机器学习型波束电倾扫描方案，利用机器学习的方式不断更新方向图，直至方向图符合判据。
其中上述判据是指阵列波束指向、副瓣大小、增益水平。
最后需要说明的是以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (7)

1.方向图可编程超材料阵列天线系统，其特征在于：所使用的馈电结构、阵列单元结构和排布方式、波束合成控制方法，电磁波通过底部波导给整个天线系统馈电，波导内部包含慢波结构，慢波结构的引入可以缩小传导波长，通过缩小波导波长，单元缝隙的间距通过工作频率传导波长来确定，电磁波在波导中传输，会产生相应相差，同一时刻不同单元具有不同相位分布，这种分布可以通过改变单元排布方式和单元状态进行调节，电磁波通过单元缝隙激励辐射单元，单元缝隙和辐射单元之间是超材料层，超材料层的状态通过驱动电路系统进行控制，从而控制辐射单元的辐射状态。
2.根据权利要求1所述的方向图可编程超材料阵列天线系统，其特征在于：所述辐射单元结构将波导内的传导电磁波向空间进行辐射，辐射的电磁波在空间进行叠加，形成阵列天线的方向图，通过精确控制每个单元的状态，实现阵列单元在所需指向的叠加。
3.根据权利要求1所述的方向图可编程超材料阵列天线系统，其特征在于：所述波导缝隙激励辐射贴片，辐射贴片向空间辐射电磁波，辐射贴片的横向和纵向尺寸根绝传导波长来确定。
4.根据权利要求1所述的方向图可编程超材料阵列天线系统，其特征在于：所述超材料层位于辐射单元和波导缝隙之间，超材料层在不同电压下呈现不同的介电特性，通过驱动控制电路调控每个辐射单元的辐射能力，从而使得天线阵列单元实现不同的幅度分布，阵列天线单元通过相位和幅度的调控实现波束的电倾扫描。
5.根据权利要求1所述的方向图可编程超材料阵列天线系统，其特征在于：方向图控制流程具体包括以下步骤：根据需求计算机产生一个期望方向图分布，单元状态分布作为算法初始条件输入算法，通过波束合成算法计算得到实际阵列方向图分布，比较实际方向图和期望方向图，通过判据决定阵列状态是否输出，输出的阵列天线单元状态分布通过驱动电路进行调控。
6.根据权利要求5所述的方向图可编程超材料阵列天线系统，其特征在于：约束期望方向图的主要因素包含波束指向、阵列增益、方向图副瓣水平，期望方向图产生方式：根据波束指向、阵列增益、方向图副瓣确定单元移相量、单元数目、窗函数，通过上述参数和单元间距计算得到方向图函数初始值。
7.根据权利要求5所述的方向图可编程超材料阵列天线系统，其特征在于：波束合成算法通过阵列单元的辐射能力和阵列单元相位分布，计算得到相应的波束指向，不同阵列排布可以有多种波束合成算法。
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002217639A (ja) * 2001-01-15 2002-08-02 Nippon Hoso Kyokai <Nhk> フェーズドアレーアンテナ及びこれを用いた送・受信装置
US20150288063A1 (en) * 2014-04-07 2015-10-08 Mikala C. Johnson Beam shaping for reconfigurable holographic antennas
CN205178013U (zh) * 2015-11-11 2016-04-20 中国电子科技集团公司第五十四研究所 一种宽角度波束扫描的超材料相控阵天线
CN105529524A (zh) * 2014-09-29 2016-04-27 北京天工开正科技有限责任公司 基于空气填充的平行板波导结构的阵列天线
CN107146943A (zh) * 2017-03-20 2017-09-08 中国电子科技集团公司第三十八研究所 栅格槽超材料波导缝隙天线及其设计方法
CN107275805A (zh) * 2017-04-27 2017-10-20 北京华镁钛科技有限公司 一种基于超材料电磁特性的相控阵天线

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002217639A (ja) * 2001-01-15 2002-08-02 Nippon Hoso Kyokai <Nhk> フェーズドアレーアンテナ及びこれを用いた送・受信装置
US20150288063A1 (en) * 2014-04-07 2015-10-08 Mikala C. Johnson Beam shaping for reconfigurable holographic antennas
CN105529524A (zh) * 2014-09-29 2016-04-27 北京天工开正科技有限责任公司 基于空气填充的平行板波导结构的阵列天线
CN205178013U (zh) * 2015-11-11 2016-04-20 中国电子科技集团公司第五十四研究所 一种宽角度波束扫描的超材料相控阵天线
CN107146943A (zh) * 2017-03-20 2017-09-08 中国电子科技集团公司第三十八研究所 栅格槽超材料波导缝隙天线及其设计方法
CN107275805A (zh) * 2017-04-27 2017-10-20 北京华镁钛科技有限公司 一种基于超材料电磁特性的相控阵天线

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