CN113690633A - 一种基于二元全息编码的液晶阵列天线波束合成与控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及通信及算法领域，具体为一种基于二元全息编码的液晶阵列天线波束合成与控制方法，包括如下步骤，S1、给定所期望的阵列天线的的辐射方向图函数；S2、对辐射场与参考光的干涉场在阵列平面上的分布进行计算；S3、对阵列平面上的干涉场的强度分布进行编码；S4、通过天线的控制系统实现编码阵列的二维分布进而实现所期望的阵列天线辐射方向图。本发明对液晶阵列天线的辐射单元中液晶的偏转状态进行二元编码，实现了液晶阵列天线的波束合成与指向控制，形成了针对液晶阵列天线和其它超材料阵列天线波束合成的一种普遍算法。
Description
技术领域
本发明涉及通信及算法领域，具体为一种基于二元全息编码的液晶阵列天线波束合成与控制方法。
背景技术
包括液晶阵列天线在内的超材料阵列天线所具有的剖面低，体积小，重量轻，电控扫描等优点，使其在卫星通讯，5G毫米波通信领域有着极大的应用前景。
传统阵列天线的波速扫描采用相控阵形式。首先由每一个辐射单元形成二维或三维的阵列结构，然后给每一个辐射单元连接一个移相器，对通过其上辐射的电磁波的相位进行控制。进而实现阵列波束的合成与扫描。波束合成与控制的算法包括MUSIC算法，LMS算法，RLS算法，以及DMI算法等。这些算法的前提是要在阵列天线的每一个辐射单元的激励中，引入相位差。在液晶阵列天线中，不同的阵列排布方式和馈电方式使得在每一个辐射单元的激励中都引入相位差变得不易。
发明内容
在液晶阵列天线中，通过外电场对液晶分子偏转程度的调制，可以控制每一个辐射单元所辐射的电磁场的强度。
对于液晶阵列天线，不仅可以通过控制阵列中每个辐射单元的电磁场透过率在阵列平面上进行编码，最终使得液晶阵列天线的总的辐射场满足工程上对天线方向图和辐射强度的要求，还可以通过对干涉场的振幅和相位进行调制，实现其在二维液晶阵列天线面上的编码。此外，外电压对液晶灰度的控制的应用通常是不连续的。即在液晶辐射单元的“全开”到“全关”状态之间再增加几个离散的状态作为中间状态。也可以只采用“全开”或“全关”状态进行编码，即二元全息编码。
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于二元全息编码的液晶阵列天线波束合成与控制方法，本发明通过外加电场与极化液晶偶极矩之间产生和的力矩，对液晶阵列天线中，每一个辐射单元中的液晶的偏转状态进行调控，从而实现了对干涉场的振幅和相位进行调制，进而实现其在二维液晶阵列天线面上的编码，并在这种调控方法的基础上，给出了液晶阵列天线的波束合成和指向控制方法。
本发明提供如下技术方案：一种基于二元全息编码的液晶阵列天线波束合成与控制方法，包括如下步骤，
S1、给定所期望的阵列天线的的辐射方向图函数；
S2、对辐射场与参考光的干涉场在阵列平面上的分布进行计算；
S3、对阵列平面上的干涉场的强度分布进行编码；
S4、通过天线的控制系统实现编码阵列的二维分布进而实现所期望的阵列天线辐射方向图。
可选的，步骤S3中编码的过程中还需要对干涉场的强度进行调制，且调制步骤如下，外加电场，电场与极化液晶偶极矩之间产生和的力矩，通过控制液晶阵列天线中每个辐射单元的驱动电压来控制阵列单元中液晶的偏转状态，从而实现对干涉场的振幅和相位进行调制。
可选的，步骤S3中编码包括如下内容，当
时，透过率函数h(x,y)取归一化的1；除此之外的其它情况，透过率函数h(x,y)取归一化的0。
可选的，步骤S4包括如下内容，通过馈电网络引入馈源电磁波对液晶阵列平面进行“照射”，使得馈入的电磁波通过液晶阵列，出射电磁场在远场区域的叠加就会形成期望的天线方向图。
可选的，步骤S4中，当阵列天线的波束指向发生变化时，通过天线的控制系统刷新这一阵列天线中相应的辐射单元上的控制电压，从而实现波束指向的切换，达到阵列天线方向图的再现。
与现有技术相比，本发明提供了一种基于二元全息编码的液晶阵列天线波束合成与控制方法，具备以下有益效果：
本发明对液晶阵列天线的辐射单元中液晶的偏转状态进行二元编码，实现了液晶阵列天线的波束合成与指向控制，形成了针对液晶阵列天线和其它超材料阵列天线波束合成的一种普遍算法。
附图说明
图1为极化液晶在外加电场作用下的偏转示意图；
图2为矩形栅格矩形边界二维阵列分布示意图；
图3为矩形栅格圆形边界二维阵列分布示意图；
图4为矩形栅格六边形边界二维阵列分布示意图；
图5为三角形栅格矩形边界二维阵列分布示意图；
图6为三角形栅格圆形边界二维阵列分布示意图；
图7为三角形栅格六边形边界二维阵列分布示意图；
图8为圆环形阵列分布示意图；
图9为同心圆环阵列分布示意图；
图10为位于曲面上的二维共形阵列分布示意图；
图11为非线性硬限幅器原理示意图；
图12为单轴晶体的折射率椭球及其对传输电磁波的调控示意图；
图13为液晶阵列天线波束合成与指向控制流程示意图。
具体实施方式
下面将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。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
实施例：如图1所示，本发明所提到的液晶阵列天线中所使用的液晶材料，在电场的作用下，可以发生极化。极化偶极矩p沿液晶分子的长轴方向。极化偶极矩与外加电场之间存在夹角，从而使得液晶分子上存在一个旋转力矩，这可以让液晶分子在外加电场的大小发生变化的时候产生不同程度的偏转。
本发明提供基于上述液晶对微波毫米波的调控方法和辐射结构所形成的辐射单元组合而成的天线阵列结构，包括但不限于图2所示的矩形栅格矩形边界二维阵列分布示意图，图3所示的矩形栅格圆形边界二维阵列分布示意图，图4所示的矩形栅格六边形边界二维阵列分布示意图，图5所示的三角形栅格矩形边界二维阵列分布示意图，图6所示的三角形栅格圆形边界二维阵列分布示意图，图7所示的三角形栅格六边形边界二维阵列分布示意图，图8所示的圆环形阵列分布示意图，图9所示的同心圆环阵列分布示意图，图10所示的位于曲面上的二维共形阵列分布示意图，以及其它具有不同栅格形状和不同边界的阵列分布形式。
图11所示为非线性硬限幅器的工作原理，输入函数在偏置函数的作用下，使得输出函数成为脉冲函数，并且脉冲输出函数具有不同脉冲宽度和脉冲间距。
物光（期望的天线方向图函数）f(x,y)在干涉平面上的电磁场分布为
其中，A(x,y)为物光波的振幅在干涉平面上的分布；
为物光波的相位在干涉平面上的分布。
参考光波在干涉平面上的电磁场分布为
其中，R(x,y)为参考光波的振幅在干涉平面上的分布；f为参考光波的频率。
两个电磁场发生干涉后，在全息干涉板上记录的总的电磁场强度为
从h(x,y)的表达式中可以看出，
和
时这种全息方法伴生的偏置项，在实际操作的过程中，可以让其尽量尽可能小，或者变成常数。而h(x,y)表达式中的第三项记录了被参考光调制过的物光的全部信息。
把
作为硬限幅器的输入函数，把
作为偏置函数，其中，
A(x,y)为物光波的振幅。
基于以上输入函数和偏置函数的输出函数（全息干板的透过率函数）
可以表示为
输出脉冲宽度为
，即输出脉冲宽度受到物光波振幅A(x,y)的调制，而输出脉冲的位置受到物光波相位
的调制。
因此，可以通过控制液晶阵列天线中每个辐射单元的驱动电压，来控制阵列单元中液晶的偏转情况，实现对透过率函数h(x,y)在每一个阵元处的数值进行调制和编码，在液晶阵列天线面板上实现干涉全息图。具体地，结合非线性硬限幅器的原理，
当 
时，透过率函数h(x,y)取归一化的1。相应的液晶辐射单元处于“全开”状态。除此之外的其它情况，透过率函数h(x,y)取归一化的0。相应的液晶辐射单元处于“全关”状态。这样就实现了透过率函数在液晶阵列天线面板上的二元编码。
当有电磁波照射透过液晶阵列天线面板时，出射电磁场在远场区域的叠加就会形成期望的天线方向图。
图12所示为本发明所提到的液晶材料所具有的折射率椭球。液晶材料只有一个主光轴。垂直于主光轴的平面为圆平面，表明在垂直于主光轴的方向上，材料的折射率相等（n x =n y ）。电磁波沿着主光轴传输时,不发生任何变化。如果电磁波的传播方向k与液晶分子的主光轴存在一定夹角，同时，电场的振动方向不在等折射率圆内，例如，沿图12中的n e 方向。那么，相对于沿主光轴方向运动，n e 方向的折射率增大，电磁波在该方向的运动速度减慢。因此，当液晶分子在外加电压的驱动下，发生不同程度的偏转时，电磁波的传播方向将与液晶的主光轴之间存在不同程度的夹角，从而使振动电场对应不同的折射率或介电常数，使得电磁波在不同偏转状态的液晶分子中的运动速度不同，进而实现在某个方向上得到所需要的幅度调制。
本发明提供基于以上方法的液晶阵列天线的波束合成与控制方法。其具体流程如图13所示。首先，需要给定所期望的阵列天线在某个方向的辐射方向图函数。其次，需要对辐射场与参考光的干涉场在阵列平面上的分布进行计算。再次，通过上述方法对阵列平面上的干涉场的强度分布进行编码。最后，通过馈电网络引入的馈源电磁波对液晶阵列平面进行“照射”，使得馈入的电磁波通过液晶阵列。进而全息衍射的方式实现期望的天线方向图。当阵列天线的波束指向发生变化时，通过天线控制系统刷新这一阵列天线中相应的辐射单元上的控制电压，从而实现波束指向的切换，达到阵列天线方向图的再现。
本发明提供一种基于二元全息编码的液晶阵列天线的二元密度编码方法。通过外加电压独立调整每一个辐射单元中液晶的偏转情况，实现对归一化透过率函数h(x,y)在每一个阵元处的取值的调控。当归一化透过率函数h(x,y)的取值大于某一个数值t时，将其取为1，把剩余误差(1-t)向相邻单元累积。相邻单元原有的振幅加上累积误差大于t时，将其取为1，小于t时，将其取为0。当归一化透过率函数h(x,y)的取值小于某一个数值t时，将其取为0。把剩余误差(t)向相邻单元累积。相邻单元原有的振幅加上累积误差大于t时，将其取为1，小于t时，将其取为0。实现液晶阵列天线面板上干涉场透过率函数归一化透过率函数h(x,y)的二元编码。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种基于二元全息编码的液晶阵列天线波束合成与控制方法，其特征在于，包括如下步骤，
S1、给定所期望的阵列天线的的辐射方向图函数；
S2、对辐射场与参考光的干涉场在阵列平面上的分布进行计算；
S3、对阵列平面上的干涉场的强度分布进行编码；
S4、通过天线的控制系统实现编码阵列的二维分布进而实现所期望的阵列天线辐射方向图。
2.根据权利要求1所述的一种基于二元全息编码的液晶阵列天线波束合成与控制方法，其特征在于，步骤S3中编码的过程中还需要对干涉场的强度进行调制，且调制步骤如下，外加电场，电场与极化液晶偶极矩之间产生和的力矩，通过控制液晶阵列天线中每个辐射单元的驱动电压来控制阵列单元中液晶的偏转状态，从而实现对干涉场的振幅和相位进行调制。
3.根据权利要求1所述的一种基于二元全息编码的液晶阵列天线波束合成与控制方法，其特征在于，步骤S3中编码包括如下内容，当
时，透过率函数h(x,y)取归一化的1；除此之外的其它情况，透过率函数h(x,y)取归一化的0。
4.根据权利要求1所述的一种基于二元全息编码的液晶阵列天线波束合成与控制方法，其特征在于，步骤S4包括如下内容，通过馈电网络引入馈源电磁波对液晶阵列平面进行“照射”，使得馈入的电磁波通过液晶阵列，出射电磁场在远场区域的叠加就会形成期望的天线方向图。
5.根据权利要求1所述的一种基于二元全息编码的液晶阵列天线波束合成与控制方法，其特征在于，步骤S4中，当阵列天线的波束指向发生变化时，通过天线的控制系统刷新这一阵列天线中相应的辐射单元上的控制电压，从而实现波束指向的切换，达到阵列天线方向图的再现。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20211123 |