CN116387853A - 一种扫频与数字编码控相的随机辐射天线阵列的设计方法 - Google Patents

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CN116387853A CN202310646920.XA CN202310646920A CN116387853A CN 116387853 A CN116387853 A CN 116387853A CN 202310646920 A CN202310646920 A CN 202310646920A CN 116387853 A CN116387853 A CN 116387853A
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Abstract

本发明涉及微波凝视关联成像领域，公开了一种扫频与数字编码控相的随机辐射天线阵列的设计方法。该随机辐射天线阵列由若干贴片天线单元组成，每个贴片天线单元刻蚀了不同长度的矩形缝隙，在工作频带的每个扫频点，每个贴片天线单元的辐射信号的幅度和方向图均具有差异性，同时利用FPGA产生的数字编码，控制每个贴片天线单元上两个PIN二极管的开启和断开，实现随机辐射天线阵列在整个工作频带上的辐射波束的180°的相差。本发明在扫频模式下利用不同谐振单元的空间随机排布与随机数字编码控相来产生随机辐射场，构建了一种新型微波随机辐射源，降低了系统的复杂度和成本，降低了照射带来的泄漏波问题，扩展了对随机辐射场调控的能力。

Description

一种扫频与数字编码控相的随机辐射天线阵列的设计方法
技术领域
本发明涉及微波凝视关联成像领域，具体涉及一种扫频与数字编码控相的随机辐射天线阵列的设计方法。
背景技术
在微波凝视关联成像系统中，微波随机辐射源是其中一个重要的组成部分。其作用是产生大量相互正交的随机辐射场，以获得足够的场景散射回波数据，通过利用关联成像算法对回波数据进行处理可以求解物体的散射系数，从而得到成像目标的散射系数图像。
目前较为常见的微波随机辐射源包括动态超材料天线和数字编码超表面。其中，动态超材料天线通过频率扫描来产生随机辐射场，其单元辐射波束的相位是固定不变的。尽管动态超材料天线具有成本低廉、易于制造等优点，但其随机辐射场的相关性较高，且随机辐射场的数量受限于工作带宽和品质因素Q，使其难以应用于高分辨率成像等应用场景。
数字编码超表面则是一种反射式相控阵，控制超表面上二极管的开启与断开来改变单元辐射波束的相位，从而产生随机辐射场，具有高度可编程性和可重构性。然而，它存在制造复杂、成本较高的缺陷，且其有效带宽较小，通常工作于单频点，完全依靠编码控相来产生随机辐射场，并且泄漏波问题较为严重。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供扫频与数字编码控相的随机辐射天线阵列的设计方法。
所述扫频与数字编码控相的随机辐射天线阵列的设计方法包括：随机辐射天线阵列由M×N个贴片天线单元在二维平面上随机排布构成，M、N分别表示随机辐射天线阵列的纵向和横向的单元数目，每个贴片天线单元刻蚀了不同长度d的矩形缝隙（306），并加载两个PIN二极管；
根据随机辐射天线阵列的品质因素Q，在工作频带内设置P个扫频点，在随机辐射天线阵列的工作频带内的任意两个扫频点
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和/>
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，/>
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，/>
Figure SMS_4
，(m,n)位置的贴片天线单元的辐射信号的幅度和方向图均具有差异性，/>
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，/>
Figure SMS_6
，(m,n)表示横坐标为m，纵坐标为n；
随机辐射天线阵列还包括FPGA，通过FPGA为每个扫频点产生数字编码序列，每个扫频点的编码周期总数为I，通过FPGA产生数字编码序列控制两个PIN二极管的开启和断开，使随机辐射天线阵列在整个工作频带上实现辐射波束的180°相差；
随机辐射天线阵列通过扫频与数字编码控相，能够在成像目标所在的二维平面区域形成随机辐射场。
进一步的，贴片天线单元从上往下共分为七层：
第一层为辐射层，辐射层包括第一矩形辐射贴片（301）、第二矩形辐射贴片（303）和中心馈电贴片（302），连接在第一矩形辐射贴片（301）和中心馈电贴片（302）之间的第一PIN二极管（304），以及连接在中心馈电贴片（302）和第二矩形辐射贴片（303）之间的第二PIN二极管（305），在第一矩形辐射贴片（301）和第二矩形辐射贴片（303）上分别刻蚀长度d相同的矩形缝隙（306）；
第二层为上层介质基板；
第三层为直流偏置层，其直流偏置线与中心金属馈电过孔连接，同时加载对称的两个扇形枝节（307）；
第四层为半固化粘结片；
第五层为金属地板；
第六层为下层介质基板；
第七层为串并联不等分馈电网络，其馈电线上加载一个隔直电容；
第一矩形辐射贴片（301）、第二矩形辐射贴片（303）通过金属化过孔与第五层金属地板连接。
进一步的，所述M×N个贴片天线单元共分为K种贴片天线单元，每种贴片天线单元的矩形缝隙（306）的长度d表示为：d=[d1,…,dk,…,dK]，k=1,2…,K，dk代表第k种贴片天线单元的矩形缝隙（306）的长度。
进一步的，所述随机辐射天线阵列由M×N个贴片天线单元在二维平面上随机排布构成，具体指，将K种贴片天线单元在二维平面上随机排布为M×N的随机辐射天线阵列，k(m,n)表示在(m,n)位置处贴片天线单元的类型，令k(m,n)=
Figure SMS_7
，在整个随机辐射天线阵列中，r是一个均匀分布在(0,1]区间内的随机实数，/>
Figure SMS_8
表示向上取整运算。
进一步的，所述在随机辐射天线阵列的工作频带内的任意两个扫频点
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和/>
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，
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，/>
Figure SMS_12
，(m,n)位置的贴片天线单元的辐射信号的幅度和方向图均具有差异性，具体包括：
定义
Figure SMS_13
是以随机辐射天线阵列的中心为原点，(m,n)位置贴片天线单元的相位中心位置矢量；
将成像目标所在的二维平面区域划分为S个离散网格，每个离散网格的任意边长不超过随机辐射天线阵列的中心的工作频率波长的一半，
Figure SMS_14
表示第s个离散网格的位置矢量，/>
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，/>
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相对于/>
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的空间方向单位矢量/>
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为：
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；
在工作频带内的任意两个扫频点
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和/>
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，(m,n)位置的贴片天线单元辐射信号的幅度和方向图均不同：
Figure SMS_22
；
其中，
Figure SMS_23
代表(m,n)位置的第k种贴片天线单元的矩形缝隙（306）的长度，
Figure SMS_27
分别是(m,n)位置的第k种贴片天线单元在扫频点/>
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辐射信号的幅度和方向图，/>
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、/>
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分别是(m,n)位置的第k种贴片天线单元在扫频点/>
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辐射信号的幅度和方向图，/>
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代表(m,n)位置的的第k种贴片天线单元在扫频点/>
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和/>
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的辐射信号的方向图差异。
进一步的，所述通过FPGA产生数字编码序列控制两个PIN二极管的开启和断开，使随机辐射天线阵列在整个工作频带上实现辐射波束的180°相差，具体包括：
FPGA通过数字编码给每个贴片天线单元施加不同的偏置电压，控制贴片天线单元的PIN二极管的开启与断开；
基于所有扫频点对应的所有数字编码构建相位编码矩阵H：
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；
其中，相位编码矩阵H中的每一列表示某一频点的一个编码周期的相位编码，
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表示在/>
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频点(m,n)位置的贴片天线单元第i个编码周期的相位编码，/>
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代表第/>
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个扫频点，/>
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，相位编码矩阵H满足任意两列正交，即：
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；
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表示内积操作，H(hx)和H(hy)分别表示相位编码矩阵H的第x列和第y列；设随机辐射天线阵列在/>
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频点(m,n)位置的贴片天线单元的编码为/>
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，初始相位为/>
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，则(m,n)位置处贴片天线单元辐射波束的相位/>
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表示为：
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；
其中，code表示相应贴片天线单元相位编码的码值。
进一步的，所述随机辐射天线阵列通过扫频与数字编码控相，能够在成像目标所在的二维平面区域形成随机辐射场，具体包括：
在
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频点，/>
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代表第/>
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个扫频点，/>
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，第i个编码周期，(m,n)位置处贴片天线单元辐射的信号/>
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表示为：
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；
其中，j表示复数符号，t为采样时刻；
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，/>
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分别表示在/>
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频点第i个编码周期中，(m,n)位置的第k种贴片天线单元的辐射波束的幅度和相位；
在
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频点，第i个编码周期，由M×N个贴片天线单元在成像目标所在的二维平面区域内第s个离散网格的位置矢量/>
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处叠加形成的随机辐射场分布/>
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为：
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；
其中，
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表示(m,n)位置的第k种贴片天线单元在/>
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频点的方向图，c为光速；/>
Figure SMS_61
是以随机辐射天线阵列的中心为原点，(m,n)位置贴片天线单元的相位中心位置矢量。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
1.与传统的相控阵天线系统相比，本发明无需使用移相器，大幅降低了系统的复杂度和成本。
2.相较于反射式数字编码超表面，本发明无需额外辐射源的照射，简化了系统设计，同时降低了照射带来的泄漏波问题。
3.本发明实现了扫频与数字编码控相的二维控制方式，能够对辐射信号的幅度、方向图和相位三个维度进行控制，大大扩展了对随机辐射场调控的能力。
附图说明
图1为本发明实施例提供的扫频与数字编码控相的随机辐射天线阵列系统原理示意图；
图2为本发明实施例提供的贴片天线单元结构示意图；
图3(a)、图3(b)、图3(c)、图3(d)分别为本发明实施例提供的贴片天线单元的第一层、第三层、第五层和第七层的平面示意图；
图4(a)和图4(b)分别为本发明实施例提供的11种不同矩形缝隙的长度d对应的贴片天线单元的S11曲线图和辐射功率图；
图5为本发明实施例提供的贴片天线单元辐射波束在“1”和“-1”两种编码状态下的相位变化曲线；
图6(a)和图6(b)分别为本发明实施例提供的贴片天线单元编码为“-1”时在11.4GHz和11.6GHz的方向图；
图7为本发明实施例提供的16
Figure SMS_62
16扫频与数字编码控相的随机辐射天线阵列系统的随机辐射天线阵列示意图；
图8为本发明实施例提供的16
Figure SMS_63
16扫频与数字编码控相的随机辐射天线阵列系统的馈电网络示意图；
图9为本发明实施例提供的16
Figure SMS_64
16扫频与数字编码控相的随机辐射天线阵列系统的初始相位分布图；
图10(a)和图10(b)分别为本发明实施例提供的16
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16扫频与数字编码控相的随机辐射天线阵列系统的第/>
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个编码周期的相位编码图案和第/>
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个编码周期的相位编码图案；
图11(a)和图11(b)分别为本发明实施例提供的16
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16扫频与数字编码控相的随机辐射天线阵列系统的第/>
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个编码周期在11.1GHz和11.8GHz的远场方向图；
图12(a)和图12(b)分别为本发明实施例提供的16
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16扫频与数字编码控相的随机辐射天线阵列系统的第/>
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个编码周期在11.1GHz和11.8GHz的辐射场分布；
图13为本发明实施例提供的16
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16扫频与数字编码控相的随机辐射天线阵列系统的第/>
Figure SMS_73
个编码周期每个频点辐射场的相关系数分布图；
图14(a)和图14(b)分别为本发明实施例提供的16
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16扫频与数字编码控相的随机辐射天线阵列系统的第/>
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个编码周期在11.1GHz和11.8GHz的远场方向图；
图15(a)和图15(b)分别为本发明实施例提供的16
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16扫频与数字编码控相的随机辐射天线阵列系统的第/>
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个编码周期在11.1GHz和11.8GHz的辐射场分布；
图16为本发明实施例提供的16
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16扫频与数字编码控相的随机辐射天线阵列系统的第/>
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个编码周期每个频点辐射场的相关系数分布图；
图17为本发明实施例提供的16
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16扫频与数字编码控相的随机辐射天线阵列系统的第/>
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个编码周期和第/>
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个编码周期每个频点之间的相关系数分布图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明，在详细说明本发明各实施例的技术方案前，对所涉及的名词和术语进行解释说明，在本说明书中，名称相同或标号相同的部件代表相似或相同的结构，且仅限于示意的目的。
本发明提供了一种扫频与数字编码控相的随机辐射天线阵列，随机辐射天线阵列通过扫频与数字编码控相两种独立控制方式对贴片天线单元辐射信号的幅度、方向图和相位进行调控获得随机辐射场。
本发明通过以下技术方案实现的：
M×N随机辐射天线阵列由K种具有不同矩形缝隙长度的贴片天线单元构成，并加载两个PIN二极管。在工作频带中，各个贴片天线单元的谐振单元的辐射波束在每个频点下的幅度和方向图均具有差异性。利用FPGA产生数字编码序列，控制两个PIN二极管的开启与断开，实现贴片天线单元辐射波束的180°相差。该随机辐射天线阵列在扫频模式下利用不同谐振单元的空间随机排布与随机数字编码控相来产生随机辐射场。
1.随机辐射天线结构
图1为扫频与数字编码控相的随机辐射天线阵列系统原理示意图，K种贴片天线单元在二维平面上随机排列成M行×N列，形成随机辐射天线阵列，在工作频带中，各个贴片天线单元的谐振单元的辐射波束在每个频点下的幅度和方向图均具有差异性。在贴片天线单元的矩形辐射贴片和中心馈电贴片之间集成了两个PIN二极管，FPGA为每个贴片天线单元施加不同的偏置电压调控两个PIN二极管的开启与断开，使得贴片天线单元的辐射波束呈现相差为180°的两种相位状态，对应编码“1”和“-1”。因此随机辐射天线阵列在扫频模式下利用不同谐振单元的空间随机排布与随机数字编码控相来产生随机辐射场。
上述M行×N列结构的随机辐射天线阵列，每个贴片天线单元从上至下包含7层结构，如图2所示：
第一层为辐射层1，包括第一矩形辐射贴片301、第二矩形辐射贴片303和中心馈电贴片302，以及连接在第一矩形辐射贴片301和中心馈电贴片302之间的第一PIN二极管304和连接在中心馈电贴片302和第二矩形辐射贴片303之间的第二PIN二极管305，在第一矩形辐射贴片301和第二矩形辐射贴片303上分别刻蚀了长度d相同的矩形缝隙306，每种贴片天线单元的矩形缝隙306的长度d均不相同；
第二层为上层介质基板2；
第三层为直流偏置层3；
第四层为半固化粘结片4；
第五层为金属地板5；
第六层为下层介质基板6；
第七层为串并联不等分馈电网络7，其馈电线上加载一个隔直电容。
1.1第一层辐射层
所述贴片天线单元的第一层的矩形辐射贴片和中心馈电贴片之间集成两个PIN二极管，矩形辐射贴片上刻蚀了一个矩形缝隙，每种贴片天线单元刻蚀的矩形缝隙长度d不同，即代表其具有不同的谐振频率。
上述贴片天线单元尺寸为：12mm×12mm，共七层结构，如图3(a)所示，第一层辐射层包括第一矩形辐射贴片301、第二矩形辐射贴片303和中心馈电贴片302，以及连接在第一矩形辐射贴片301和中心馈电贴片302之间的第一PIN二极管304和连接在中心馈电贴片302和第二矩形辐射贴片303之间的第二PIN二极管305，两个PIN二极管同向放置。在第一矩形辐射贴片301和第二矩形辐射贴片303上分别刻蚀了长度d相同的矩形缝隙306。
每种贴片天线单元的矩形缝隙306的长度d均不相同，其谐振频率也不同。第一层中各结构参数为：矩形辐射贴片的宽度lx=2mm，矩形辐射贴片的长度ly=10mm，中心馈电贴片为正方形，其边长a=1.3mm，矩形缝隙306的宽度w=0.2mm。
1.2第二层上层介质基板
第二层为上层介质基板，采用Rogers RO4003，介电常数为3.5，厚度为0.508mm。
1.3第三层直流偏置层
第三层直流偏置层如图3(b)所示，直流偏置线与中心金属馈电过孔连接，同时加载了对称的两个扇形枝节307，用于隔离交流馈电信号的扇形枝节307的结构参数为：扇形枝节307的半径ρ=3mm，扇形枝节307的圆心角θ=80°。
1.4第四层半固化粘结片
第四层半固化粘结片，采用Rogers RO4450F，介电常数为3.7，厚度为0.255mm。
1.5第五层金属地板
第五层金属地板如图3(c)所示为电路板表面镀金属，例如铜，在直流电路中充当接地面的作用。
1.6第六层下层介质基板
第六层下层介质基板采用Rogers RO4350B，介电常数为3.66，厚度分别为0.762mm。
1.7第七层串并联不等分馈电网络
第七层串并联不等分馈电网络如图3(d)所示，其馈电线上加载一个隔直电容C308，馈电线结构参数为：馈电线的宽度w_line=1.1mm。
上述贴片天线单元第一层的矩形辐射贴片通过金属化过孔与第五层金属地板连接，第一层中心馈电贴片通过金属化过孔与第七层串并联不等分馈电网络的馈电网络层连接。第三层直流偏置层的直流偏置线与中心金属馈电过孔连接，直流偏置层包含对称设置在直流偏置线上的扇形枝节。这样中心馈电贴片与两边的矩形辐射贴片构成直流回路。由FPGA产生的数字编码控制序列“1”与“-1”，为直流偏置层施加控制电压，控制第一层的两个PIN二极管的开启与断开，使贴片天线单元的辐射波束呈现相差为180°的两种相位状态，其中编码“1”表示第一PIN二极管304断开，第二PIN二极管305开启；编码“-1”表示第一PIN二极管304开启，第二PIN二极管305断开。
贴片天线单元第一层辐射层上集成的两个PIN二极管的型号为MADP-000907-14020x，PIN二极管断开时，其等效电路为Coff=0.028pF的电容和Loff=30pH的电感串联；PIN二极管开启时，其等效电路为Ron=7.8Ω的电阻和Lon=30pH的电感串联。
贴片天线单元的谐振频率可以通过CST软件（三维电磁场仿真软件）对矩形缝隙306的长度d进行参数扫描得到。随机辐射天线阵列由K种贴片天线单元组成，每种贴片天线单元的矩形缝隙的长度d都不同，dk表示第k种贴片天线单元的矩形缝隙的长度，
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，r是一个均匀分布在(0,1]区间内的随机实数，/>
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表示向上取整操作。
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是以随机辐射天线阵列中心为原点，(m,n)位置贴片天线单元的相位中心位置矢量，/>
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，/>
Figure SMS_94
，(m,n)位置表示行坐标为m，列坐标为n。将成像目标所在的二维平面区域划分为S个离散网格，每个离散网格的任意边长不超过随机辐射天线阵列中心工作频率波长的一半，/>
Figure SMS_88
表示第s个离散网格的位置矢量，/>
Figure SMS_91
，/>
Figure SMS_93
相对于
Figure SMS_95
的空间方向单位矢量/>
Figure SMS_90
为：
Figure SMS_96
；
根据随机辐射天线阵列的品质因素Q，在工作频带内设置P个扫频点，
Figure SMS_97
代表第p个扫频点，/>
Figure SMS_98
，由于每种贴片天线单元刻蚀了不同长度的矩形缝隙，因此在工作频带内的任意两个扫频点/>
Figure SMS_99
和/>
Figure SMS_100
，(m,n)位置的贴片天线单元辐射信号的幅度和方向图均不同：
Figure SMS_101
；
其中，
Figure SMS_104
代表(m,n)位置的第k种贴片天线单元的矩形缝隙（306）的长度，
Figure SMS_105
分别是(m,n)位置的第k种贴片天线单元在扫频点/>
Figure SMS_108
辐射信号的幅度和方向图，/>
Figure SMS_103
、/>
Figure SMS_106
分别是(m,n)位置的第k种贴片天线单元在扫频点/>
Figure SMS_109
辐射信号的幅度和方向图，/>
Figure SMS_110
代表(m,n)位置的的第k种贴片天线单元在扫频点/>
Figure SMS_102
和/>
Figure SMS_107
的辐射信号的方向图差异。
2.数字编码控制
每个贴片天线单元具有不同的初始相位，(m,n)位置的贴片天线单元在
Figure SMS_111
频点的初始相位为/>
Figure SMS_112
。
通过FPGA为每个扫频点产生数字编码序列，每个扫频点的编码周期总数为I，通过直流偏置层给每个贴片天线单元施加不同的偏置电压，控制贴片天线单元的PIN二极管的开启与断开，在整个工作频带上实现辐射波束的180°相差。随机辐射天线阵列在
Figure SMS_113
频点(m,n)位置的贴片天线单元的编码为/>
Figure SMS_114
，/>
Figure SMS_115
。编码“1”表示第一PIN二极管304断开，第二PIN二极管305开启；编码“-1”表示第一PIN二极管304开启，第二PIN二极管305断开。两个PIN二极管的开启断开组合使(m,n)位置处贴片天线单元辐射波束的相位/>
Figure SMS_116
呈现180°的相位差，表示为：
Figure SMS_117
；
其中，code表示相应贴片天线单元相位编码的码值。
则所有扫频点的所有数字编码共同构成相位编码矩阵H：
Figure SMS_118
；
其中，相位编码矩阵H中的每一列表示某一频点的一个编码周期的相位编码，
Figure SMS_119
表示在/>
Figure SMS_120
频点(m,n)位置的贴片天线单元第i个编码周期的相位编码，相位编码矩阵H满足任意两列正交，即：
Figure SMS_121
；
Figure SMS_122
表示内积操作，H(hx)和H(hy)分别表示相位编码矩阵H的第x列和第y列。
由此，随机辐射天线阵列在扫频与数字编码的控制下，在
Figure SMS_123
频点，第i个编码周期，(m,n)位置处贴片天线单元辐射的信号/>
Figure SMS_124
表示为：
Figure SMS_125
；
其中，j表示复数符号，t为采样时刻；
Figure SMS_126
，/>
Figure SMS_127
分别表示在/>
Figure SMS_128
频点第i个编码周期中，(m,n)位置的第k种贴片天线单元的辐射波束的幅度和相位。
在
Figure SMS_129
频点，第i个编码周期，由M×N个贴片天线单元在成像目标所在的二维平面区域内第s个离散网格的位置矢量/>
Figure SMS_130
处叠加形成的随机辐射场分布/>
Figure SMS_131
为：
Figure SMS_132
；
其中，
Figure SMS_133
表示(m,n)位置的第k种贴片天线单元在/>
Figure SMS_134
频点的方向图，c为光速；/>
Figure SMS_135
是以随机辐射天线阵列的中心为原点，(m,n)位置贴片天线单元的相位中心位置矢量。
下面结合一个具体实施例对本发明所提供的一种扫频与数字编码控相的随机辐射天线阵列系统进行详细描述。
实施例的随机辐射天线阵列由共256个贴片天线单元在16
Figure SMS_136
16的二维平面空间随机排布组成，256个贴片天线单元共分为11种，每种包括不同矩形缝隙长度。在工作频带的每个扫频点，每种贴片天线单元的辐射波束的幅度和方向图均呈现差异性。通过FPGA产生数字编码序列，控制两个PIN二极管的开启与断开，在整个工作频带上实现辐射波束的180°相差。实现扫频与数字编码控相两种控制方式产生随机辐射场。
本实施例贴片天线单元的第一层各结构参数为：矩形辐射贴片的宽度lx=2mm，矩形辐射贴片的长度ly=10mm，中心馈电贴片为正方形，其边长a=1.3mm，矩形缝隙306的宽度w=0.2mm；第二层为Rogers RO4003介质基板，介电常数为3.5，厚度为0.508mm；第三层的直流偏置线与中心金属馈电过孔连接，同时加载一个对称的扇形枝节，用于隔离交流馈电信号，扇形枝节的结构参数为：扇形枝节的半径ρ=3mm，扇形枝节的圆心角θ=80°；第四层采用Rogers RO4450F，介电常数为3.7，厚度为0.255mm；第五层为金属地板；第六层采用RogersRO4350B介质基板，介电常数为3.66，厚度别为0.762mm；第七层串并联不等分馈电网络，其馈电线上加载一个隔直流电容，馈电线结构参数为：馈电线的宽度w_line=1.1mm。
其中第一层矩形辐射贴片与第五层金属地板通过金属化过孔连接，金属化过孔的直径为0.3mm，第一层中心馈电贴片与第七层的馈电网络层通过金属化过孔连接，金属化过孔的直径为0.4mm。
第一层的两个PIN二极管的型号为MADP-000907-14020x，PIN二极管断开时，其等效电路为Coff=0.028pF的电容和Loff=30pH的电感串联；PIN二极管导通时，其等效电路为Ron=7.8Ω的电阻和Lon=30pH的电感串联。
第一层的矩形辐射贴片上刻蚀的矩形缝隙的长度起着调节谐振频率的作用，在CST中对矩形缝隙的长度d进行参数化扫描得到如图4(a)所示的11种不同矩形长度d的贴片天线单元的S11曲线图，即11个不同谐振频率的贴片天线单元。仿真时馈电功率为0.5W，图4(b)是贴片天线单元的辐射功率图，每个贴片天线单元辐射信号的幅度随频率变化。
图5是d=8.5mm的贴片天线单元在两种编码状态下的辐射波束相位，编码“1”表示第一PIN二极管304断开，第二PIN二极管305开启；编码“-1”表示第一PIN二极管304开启，第二PIN二极管305断开。可以看出在10GHz-13GHz的宽频带中两种相位编码单元的辐射波束相差为180°。
图6(a)和图6(b)分别是d=8.5mm的贴片天线单元编码为“-1”时在11.4GHz和11.6GHz的方向图，两者表现出明显的差异性，表明贴片天线单元的方向图随频率变化。
进一步将上述256个贴片天线单元在二维平面空间随机排布，构成16
Figure SMS_137
16的随机辐射天线阵列，工作频带为10.6GHz-11.8GHz，其结构如图7所示。
该随机辐射天线阵列采用串并联不等分馈电网络，在每个贴片天线单元之间引入初始相位差，馈电网络的结构如图8所示，经馈电网络引入的初始相位差如图9所示。
图10（a）和图10（b）是实施例提供的16
Figure SMS_138
16扫频与数字编码控相的随机辐射天线阵列系统在第一编码周期和第二编码周期的相位编码图案。
图11（a）是第一编码周期的相位编码图案在11.1GHz的远场方向图；图11（b）是第一编码周期的相位编码图案在11.8GHz的远场方向图。
图12（a）是第一编码周期在11.1GHz的辐射场分布图；图12（b）是第一编码周期在11.8GHz的辐射场分布图。
图13是第一编码周期每个频点之间的相关系数图。
结合图11(a)、图11(b)、图12(a)、图12(b)、图13可以看出在一个编码周期中，不同频点的辐射场之间具有随机性，体现出该随机辐射天线阵列通过频率扫描调控辐射场变化的能力。
图14（a）是第二编码周期的相位编码图案在11.1GHz的远场方向图；图14（b）是第二编码周期的相位编码图案在11.8GHz的远场方向图。
图15（a）是第二编码周期在11.1GHz的辐射场分布图；图15（b）是第二编码周期在11.8GHz的辐射场分布图。
图16是第二编码周期每个频点之间的相关系数图。
对比第一编码周期和第二编码周期在11.1GHz和11.8GHz的远场方向图、辐射场分布图都可以发现两者之间具有很好的随机性。
同时图17是第一编码周期和第二编码周期每个频点之间的相关系数分布图，两个编码周期的每个频点之间的相关系数低于0.4，满足微波关联成像中辐射场正交性的要求。
以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种扫频与数字编码控相的随机辐射天线阵列的设计方法，其特征在于：
随机辐射天线阵列由M×N个贴片天线单元在二维平面上随机排布构成，M、N分别表示随机辐射天线阵列的纵向和横向的单元数目，每个贴片天线单元刻蚀了不同长度d的矩形缝隙（306），并加载两个PIN二极管；
根据随机辐射天线阵列的品质因素Q，在工作频带内设置P个扫频点，在随机辐射天线阵列的工作频带内的任意两个扫频点
Figure QLYQS_1
和/>
Figure QLYQS_2
，/>
Figure QLYQS_3
，/>
Figure QLYQS_4
，(m,n)位置的贴片天线单元的辐射信号的幅度和方向图均具有差异性，/>
Figure QLYQS_5
，/>
Figure QLYQS_6
，(m,n)表示横坐标为m，纵坐标为n；
随机辐射天线阵列还包括FPGA，通过FPGA为每个扫频点产生数字编码序列，每个扫频点的编码周期总数为I，通过FPGA产生数字编码序列控制两个PIN二极管的开启和断开，使随机辐射天线阵列在整个工作频带上实现辐射波束的180°相差；
随机辐射天线阵列通过扫频与数字编码控相，能够在成像目标所在的二维平面区域形成随机辐射场。
2.如权利要求1所述扫频与数字编码控相的随机辐射天线阵列的设计方法，其特征在于，贴片天线单元从上往下共分为七层：
第一层为辐射层，辐射层包括第一矩形辐射贴片（301）、第二矩形辐射贴片（303）和中心馈电贴片（302），连接在第一矩形辐射贴片（301）和中心馈电贴片（302）之间的第一PIN二极管（304），以及连接在中心馈电贴片（302）和第二矩形辐射贴片（303）之间的第二PIN二极管（305），在第一矩形辐射贴片（301）和第二矩形辐射贴片（303）上分别刻蚀长度d相同的矩形缝隙（306）；
第二层为上层介质基板；
第三层为直流偏置层，其直流偏置线与中心金属馈电过孔连接，同时加载对称的两个扇形枝节（307）；
第四层为半固化粘结片；
第五层为金属地板；
第六层为下层介质基板；
第七层为串并联不等分馈电网络，其馈电线上加载一个隔直电容；
第一矩形辐射贴片（301）、第二矩形辐射贴片（303）通过金属化过孔与第五层金属地板连接。
3.如权利要求1所述扫频与数字编码控相的随机辐射天线阵列的设计方法，其特征在于，所述M×N个贴片天线单元共分为K种贴片天线单元，每种贴片天线单元的矩形缝隙（306）的长度d表示为：d=[d1,…,dk,…,dK]，k=1,2…,K，dk代表第k种贴片天线单元的矩形缝隙（306）的长度。
4.如权利要求3所述扫频与数字编码控相的随机辐射天线阵列的设计方法，其特征在于，所述随机辐射天线阵列由M×N个贴片天线单元在二维平面上随机排布构成，具体指，将K种贴片天线单元在二维平面上随机排布为M×N的随机辐射天线阵列，k(m,n)表示在(m,n)位置处贴片天线单元的类型，令k(m,n)=
Figure QLYQS_7
，在整个随机辐射天线阵列中，r是一个均匀分布在(0,1]区间内的随机实数，/>
Figure QLYQS_8
表示向上取整运算。
5.如权利要求1所述扫频与数字编码控相的随机辐射天线阵列的设计方法，其特征在于，所述在随机辐射天线阵列的工作频带内的任意两个扫频点
Figure QLYQS_9
和/>
Figure QLYQS_10
，/>
Figure QLYQS_11
，
Figure QLYQS_12
，(m,n)位置的贴片天线单元的辐射信号的幅度和方向图均具有差异性，具体包括：
定义
Figure QLYQS_13
是以随机辐射天线阵列的中心为原点，(m,n)位置贴片天线单元的相位中心位置矢量；
将成像目标所在的二维平面区域划分为S个离散网格，每个离散网格的任意边长不超过随机辐射天线阵列的中心的工作频率波长的一半，
Figure QLYQS_14
表示第s个离散网格的位置矢量，
Figure QLYQS_15
，/>
Figure QLYQS_16
相对于/>
Figure QLYQS_17
的空间方向单位矢量/>
Figure QLYQS_18
为：
Figure QLYQS_19
；
在工作频带内的任意两个扫频点
Figure QLYQS_20
和/>
Figure QLYQS_21
，(m,n)位置的贴片天线单元辐射信号的幅度和方向图均不同：
Figure QLYQS_22
；
其中，
Figure QLYQS_24
代表(m,n)位置的第k种贴片天线单元的矩形缝隙（306）的长度，
Figure QLYQS_28
分别是(m,n)位置的第k种贴片天线单元在扫频点/>
Figure QLYQS_30
辐射信号的幅度和方向图，/>
Figure QLYQS_23
、/>
Figure QLYQS_26
分别是(m,n)位置的第k种贴片天线单元在扫频点/>
Figure QLYQS_29
辐射信号的幅度和方向图，/>
Figure QLYQS_31
代表(m,n)位置的的第k种贴片天线单元在扫频点/>
Figure QLYQS_25
和/>
Figure QLYQS_27
的辐射信号的方向图差异。
6.如权利要求5所述扫频与数字编码控相的随机辐射天线阵列的设计方法，其特征在于，所述通过FPGA产生数字编码序列控制两个PIN二极管的开启和断开，使随机辐射天线阵列在整个工作频带上实现辐射波束的180°相差，具体包括：
FPGA通过数字编码给每个贴片天线单元施加不同的偏置电压，控制贴片天线单元的PIN二极管的开启与断开；
基于所有扫频点对应的所有数字编码构建相位编码矩阵H：
Figure QLYQS_32
；
其中，相位编码矩阵H中的每一列表示某一频点的一个编码周期的相位编码，
Figure QLYQS_33
表示在/>
Figure QLYQS_34
频点(m,n)位置的贴片天线单元第i个编码周期的相位编码，/>
Figure QLYQS_35
代表第/>
Figure QLYQS_36
个扫频点，
Figure QLYQS_37
，相位编码矩阵H满足任意两列正交，即：
Figure QLYQS_38
；
Figure QLYQS_39
表示内积操作，H(hx)和H(hy)分别表示相位编码矩阵H的第x列和第y列；设随机辐射天线阵列在/>
Figure QLYQS_40
频点(m,n)位置的贴片天线单元的编码为/>
Figure QLYQS_41
，/>
Figure QLYQS_42
，初始相位为
Figure QLYQS_43
，则(m,n)位置处贴片天线单元辐射波束的相位/>
Figure QLYQS_44
表示为：
Figure QLYQS_45
；
其中，code表示相应贴片天线单元相位编码的码值。
7.如权利要求5所述扫频与数字编码控相的随机辐射天线阵列的设计方法，其特征在于，所述随机辐射天线阵列通过扫频与数字编码控相，能够在成像目标所在的二维平面区域形成随机辐射场，具体包括：
在
Figure QLYQS_46
频点，/>
Figure QLYQS_47
代表第/>
Figure QLYQS_48
个扫频点，/>
Figure QLYQS_49
，第i个编码周期，(m,n)位置处贴片天线单元辐射的信号/>
Figure QLYQS_50
表示为：
Figure QLYQS_51
；
其中，j表示复数符号，t为采样时刻；
Figure QLYQS_52
，/>
Figure QLYQS_53
分别表示在/>
Figure QLYQS_54
频点第i个编码周期中，(m,n)位置的第k种贴片天线单元的辐射波束的幅度和相位；
在
Figure QLYQS_55
频点，第i个编码周期，由M×N个贴片天线单元在成像目标所在的二维平面区域内第s个离散网格的位置矢量/>
Figure QLYQS_56
处叠加形成的随机辐射场分布/>
Figure QLYQS_57
为：
Figure QLYQS_58
；
其中，
Figure QLYQS_59
表示(m,n)位置的第k种贴片天线单元在/>
Figure QLYQS_60
频点的方向图，c为光速；/>
Figure QLYQS_61
是以随机辐射天线阵列的中心为原点，(m,n)位置贴片天线单元的相位中心位置矢量。
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