CN117220022A - 一种低剖面高效率多馈源集成透射阵列及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低剖面高效率多馈源集成透射阵列及设计方法，包括：构建多馈源集成透射阵列；在所述多馈源集成透射阵列进行仿真实验测试得到馈源的半功率波束宽度；构建馈源天线余弦函数模型；基于所述天线馈源余弦函数模型得到多馈源的辐射电场和所述辐射电场的最优焦距；基于所述最优焦距得到多馈源的相位分布；基于所述多馈源的相位分布得到天线阵列的补偿相位；基于所述补偿相位低剖面高效率多馈源集成透射阵列。本发明通过子阵的划分和扩展，未来很容易进一步增大天线口径实现极窄发射波束并通过调整馈源的相位实现可重构超表面，在无线通信和微波无线能量传输等领域具有潜在应用价值。

Description

一种低剖面高效率多馈源集成透射阵列及设计方法

技术领域

本发明涉及微波领域的平面透射阵天线技术领域，特别涉及一种低剖面高效率多馈源集成透射阵列及设计方法。

背景技术

基于几何光学的反射阵与透射阵都属于空馈型天线，其优点省略了常规阵列天线复杂的高损耗馈电网络特别是针对大口径或者高频天线应用更为明显。透射阵在原理、设计上与反射阵类似，但由于没有馈源遮挡，可以采用法向入射，因此更适合在飞机、导弹等表面共形。透射阵比反射阵在设计上更有挑战性，为了保持性能，需要兼顾360度相位控制和高透射率。对于单馈源平面透射阵，为了实现最佳口径效率，馈源的位置需经过优化以达到溢出效率和照射效率的平衡。因此，当馈源的增益确定后，最佳焦径比是定值，减小会造成不可接受的增益损失。随着天线口径的增大，意味着馈源距离天线越远。这也造成电磁波在空间上的群延迟，造成空间色散影响天线阵列的性能。因此，近年有些研究采用折叠透射和反射阵混合设计以降低天线的剖面，但是额外阵列天线的引入会对天线造成额外的反射或透射损耗，并带来成本、重量以及装配等一系列问题。

MPT科学研究和实际应用驱动发端端天线朝着更大功率和更远距离方向迈进。空间功率合成技术是提高辐射功率的有效途径。传统的相控阵天线受到物理器件功率容量的限制，很难在高功率微波领域直接应用。而平面空馈阵列天线馈源一般采用波导喇叭作为馈源，一般发射功率可达数十瓦，其内部的波导-同轴转换部分经过特殊设计，功率可提升至几百瓦甚至上千瓦。多馈源功率合成技术一方面可有效提升发射功率，另一方面分布式设计可实现较小的剖面使其更容易大规模集成，并缓解入射波空间色散的影响，保证带宽不随口径增大而降低。因此，提供一种低剖面高效率多馈源集成透射阵列及设计方法具有重要意义。

发明内容

针对现有技术中存在技术缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种低剖面高效率多馈源集成透射阵列及设计方法。

本发明提供的一种低剖面高效率多馈源集成透射阵列及设计方法，包括：

构建多馈源集成透射阵列；在所述多馈源集成透射阵列进行仿真实验测试得到馈源的半功率波束宽度；

构建馈源天线余弦函数模型；基于所述天线馈源余弦函数模型得到多馈源的辐射电场和所述辐射电场的最优焦距；

基于所述最优焦距得到多馈源的相位分布；

基于所述多馈源的相位分布得到天线阵列的补偿相位；

基于所述补偿相位低剖面高效率多馈源集成透射阵列。

可选地，所述多馈源集成透射阵列包括多馈源和平面透射阵列；

其中，所述多馈源的排布方式包括矩形和正六边形。

可选地，所述平面透射阵列由单层介质基板制作；所述平面投射阵列包括若干子阵，每个馈源对应一个子阵的中心。

可选地，基于所述馈源天线余弦函数模型得到多馈源的辐射电场和所述辐射电场的最优焦距的过程包括：

基于枚举法利用所述天线馈源余弦函数模型计算多馈源在不同焦距的辐射电场得到若干辐射电场；

对若干所述辐射电场进行比较，获得最优辐射场强；

基于所述最优辐射场强得到最优焦距。

可选地，所述辐射电场的计算过程包括电场方向为x极化时的辐射电场和电场方向为y极化时的辐射电场；

其中，电场方向为x极化时，辐射电场的计算公式为：

电场方向为y极化时，辐射电场的计算公式为：

式中，E_x(θ,φ)表示x极化时的辐射电场，E_y(θ,φ)表示y极化时的辐射电场，θ表示俯仰角，φ表示方位角，j表示复数虚部，表示θ的方向向量，/>表示φ的方向向量，k＝2π/λ，k表示真空中的波数，r为球坐标下的观测点(r，θ，φ)，C_E(θ)和C_H(θ)分别为馈源天线在E面和H面上的相位方向图。

可选地，馈源天线在E面和H面上的相位方向图的计算公式为：

C_E(θ)＝cos^qE(θ)

C_H(θ)＝cos^qH(θ)

式中，q表示指数项，q在E面和H面中的值分别记为qE和qH，HPBM表示所述半功率波束宽度。

可选地，基于所述多馈源的相位分布，采用共轭场匹配技术得到天线阵列的补偿相位，计算公式为：

φ_TA＝-φ_i ^inc+φ_ref

式中，φ_i ^inc表示相位，φ_ref为常数。

本发明具有如下技术效果：

本发明的多馈源设计可实现大功率微波发射；本发明的多馈源设计可实现分布式、扁平化辐射场，实现低剖面；单馈源设计最佳焦径比比值是定值，因此焦距随天线口径增大而同比增大，空间色散效应导致带宽随之降低，而基于本发明的多馈源设计焦距是定值，天线口径增大而天线剖面保持不变。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中的装置示意图；

图2为本发明实施例中的实施流程图；

图3为本发明实施例中选定馈源喇叭的三维方向图；

图4为本发明实施例中9馈源激励余弦函数模型计算焦距为400mm时的场强分布；

图5为本发明实施例中9馈源激励余弦函数模型计算焦距为500mm时的场强分布；

图6为本发明实施例中9馈源激励余弦函数模型计算焦距为600mm时的场强分布；

图7为本发明实施例中9馈源激励余弦函数模型计算焦距为700mm时的场强分布；

图8为本发明实施例中单馈源和9馈源激励全波仿真计算焦距为500mm时的场强分布，其中，(a)表示单馈源全波仿真计算焦距为500mm时的场强分布，(b)表示9馈源激励全波仿真计算焦距为500mm时的场强分布；

图9为本发明实施例中9馈源激励余弦函数模型计算焦距为500mm时的相位分布；

图10为本发明实施例中9馈源激励全波仿真计算焦距为500mm时的相位分布；

图11为本发明实施例中透射阵天线的相位补偿；

图12为本发明实施例中1.14×1.14m的平面透射阵模型顶视图；

图13为本发明实施例中9馈源透射阵的三维方向图；

图14为本发明实施例中每个馈源与对应子阵的位置关系图。

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。

如图1所示，本发明公开了一种用于微波无线能量传输(MPT)的多馈源惠更斯超表面透射阵天线及设计方法，主要缓解大口径平面空馈阵列天线的空间色散效应以及剖面大等问题。所述透射阵天线包括：多馈源喇叭和平面透射阵列；所述馈源喇叭排布方式可为矩阵或正六边形。所述平面透射阵列由单层介质基板制作，无通孔设计，易于制作和装配。一种近场分布式优化的馈电机制被使用，其目的是计算子阵的最优焦距，平衡照射效率和入射波干涉的同时，利用共轭场匹配技术实现理想的相位补偿。该方案借鉴相控阵天线的设计，通过子阵的划分和扩展，未来很容易进一步增大天线口径实现极窄发射波束并通过调整馈源的相位实现可重构超表面，因此未来可实现低成本、低剖面和轻量化大规模发射阵列。该设计方案在无线通信和微波无线能量传输等领域具有潜在应用价值。下面将结合具体实施例进一步说明。

实施例一

如图2所示，本实施例公开了一种低剖面高效率多馈源集成透射阵列及设计方法，具体包括以下步骤。

构建多馈源集成透射阵列；在多馈源集成透射阵列进行仿真实验测试得到馈源的半功率波束宽度，具体包括以下实施过程：

本实施例使用5.8GHz的9馈源输入，如图14所示，每个馈源指向对应子阵的中心，每个子阵尺寸为380×380mm。当子阵的尺寸缩小到一般天线单元尺寸时，物理上即可等效典型的相控阵天线。这种设计避免了多馈源指向不同角度，造成镜面反射效果并降低口径效率。此外，分布式和扁平化的多馈源辐射场替换了传统单馈源的高斯分布的辐射场。因此当设计更大口径天线时，只需要模块化增加子阵和对应馈源，焦距可保持不变，阵列将保持很小的剖面。随着子阵的大规模配置，通过馈电喇叭相位的设置，每个子阵可对应一个基准相位，以实现波束的动态扫描。

如图3所示，根据仿真得到喇叭在E面和H面的HPBW分别为26和29度。

构建馈源天线余弦函数模型；基于天线馈源余弦函数模型得到多馈源的辐射电场和辐射电场的最优焦距；具体包括以下实施过程：

本发明喇叭天线由余弦函数模型cos^q(θ)近似计算。

x或y极化辐射电场的计算选择，和输入馈源喇叭的极化方式相同。若输入为x极化喇叭，则仅计算x极化时的辐射电场。

喇叭天线的电场方向为x极化时，其辐射电场表示为：

喇叭天线的电场方向为y极化时，其辐射电场表示为：

式中，E_x(θ,φ)表示x极化时的辐射电场，E_y(θ,φ)表示y极化时的辐射电场，θ表示俯仰角(球坐标下变量)，φ表示方位角(球坐标下变量)，j表示复数虚部，表示θ的方向向量，/>表示φ的方向向量，k＝2π/λ为真空中的波数，r为球坐标下的观测点(r，θ，φ)。C_E(θ)和C_H(θ)分别为角锥喇叭天线在E面和H面上的方向图。指数项q在E面和H面中的值分别记为qE和qH。由喇叭天线的半功率波束宽度(HPBW)计算：

C_E(θ)＝cos^qE(θ) (3)

C_H(θ)＝cos^qH(θ) (4)

对于天线阵面，接收到的场强越强，越均匀，最终性能越高。多馈源的引入会再天线阵面造成如图5-图7的干涉，所以通过枚举不同的焦距，选择最优焦距。优化目标：场强尽可能均匀并且子阵中心没有干涉条纹，如图5所示。图4虽然没有干涉条纹，但照射范围太小。图6虽然照射范围足够，但干涉很严重。

多馈源辐射的电磁波在空间不可避免地相互干涉并矢量叠加。因此需对馈源在z轴的位置进行优化计算，以平衡照射效率和干涉效应。随着焦距的增大，照射电平更为均匀对应照射效率的提高。但多馈源的入射波在子阵上的干涉效应也更明显，子阵中心破坏性干涉形成明显的明暗条纹。因此，优化算法的关键就是逐步提高焦距直到子阵中心出现干涉条纹。最终焦距确定为500mm。

如图8所示，可以看出单馈源场强分布为近似高斯分布，而通过多馈源优化排布的方式实现透射阵的扁平化和模块化，并增强照射效率。

基于最优焦距得到多馈源的相位分布，具体实施过程包括：

如图9所示，9馈源激励余弦函数模型计算焦距为500mm时的相位分布。

如图10所示，为9馈源激励全波仿真计算焦距为500mm时的相位分布。

通过全波仿真和余弦函数对比焦距为500mm的场强和相位分布，两种计算方法的结果较为吻合，验证了优化过程的准确性。

基于多馈源的相位分布得到天线阵列的补偿相位；具体实施过程包括：如图11所示，将相位分布带入式6，得到阵列天线的相位补偿。

因为电场可以由幅度、相位复指数表达，因此，根据辐射电场计算公式可直接提取相位φ_i ^inc，φ_ref为常数，可以为0，0-360度取值可优化最终性能。

透射阵的补偿相位由共轭场匹配技术实现：

φ_TA＝-φ_i ^inc+φ_ref (6)

基于补偿相位低剖面高效率多馈源集成透射阵列，基于低剖面高效率多馈源集成透射阵列进行建模、仿真验证，具体实施过程包括：

如图12-图13所示，设计的大口径(22λ)天线具有3600的单元，焦距为500m，对应焦径比为0.43。5.8GHz时峰值增益为35.2dB,被认为是高增益波束，对应口径效率为54％，半功率波束宽度仅为2度。未来很容易集成更大规模子阵，期望实现轻量化，集成化，可共形的大型发射阵列，以符合大功率远距离MPT应用的需求。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种低剖面高效率多馈源集成透射阵列及设计方法，其特征在于，

构建多馈源集成透射阵列；在所述多馈源集成透射阵列进行仿真实验测试得到馈源的半功率波束宽度；

构建馈源天线余弦函数模型；基于所述天线馈源余弦函数模型得到多馈源的辐射电场和所述辐射电场的最优焦距；

基于所述最优焦距得到多馈源的相位分布；

基于所述多馈源的相位分布得到天线阵列的补偿相位；

基于所述补偿相位低剖面高效率多馈源集成透射阵列。

2.根据权利要求1所述的低剖面高效率多馈源集成透射阵列及设计方法，其特征在于，所述多馈源集成透射阵列包括多馈源和平面透射阵列；

其中，所述多馈源的排布方式包括矩形和正六边形。

3.根据权利要求2所述的低剖面高效率多馈源集成透射阵列及设计方法，其特征在于，所述平面透射阵列由单层介质基板制作；所述平面投射阵列包括若干子阵，每个馈源对应一个子阵的中心。

4.根据权利要求1所述的低剖面高效率多馈源集成透射阵列及设计方法，其特征在于，基于所述馈源天线余弦函数模型得到多馈源的辐射电场和所述辐射电场的最优焦距的过程包括：

基于枚举法利用所述天线馈源余弦函数模型计算多馈源在不同焦距的辐射电场得到若干辐射电场；

对若干所述辐射电场进行比较，获得最优辐射场强；

基于所述最优辐射场强得到最优焦距。

5.根据权利要求4所述的低剖面高效率多馈源集成透射阵列及设计方法，其特征在于，所述辐射电场的计算过程包括电场方向为x极化时的辐射电场和电场方向为y极化时的辐射电场；

其中，电场方向为x极化时，辐射电场的计算公式为：

电场方向为y极化时，辐射电场的计算公式为：

式中，E_x(θ,φ)表示x极化时的辐射电场，E_y(θ,φ)表示y极化时的辐射电场，θ表示俯仰角，φ表示方位角，j表示复数虚部，表示θ的方向向量，/>表示φ的方向向量，k＝2π/λ，k表示真空中的波数，r为球坐标下的观测点(r，θ，φ)，C_E(θ)和C_H(θ)分别为馈源天线在E面和H面上的相位方向图。

6.根据权利要求5所述的低剖面高效率多馈源集成透射阵列及设计方法，其特征在于，馈源天线在E面和H面上的相位方向图的计算公式为：

C_E(θ)＝cos^qE(θ)

C_H(θ)＝cos^qH(θ)

式中，q表示指数项，q在E面和H面中的值分别记为qE和qH，HPBM表示所述半功率波束宽度。

7.根据权利要求1所述的低剖面高效率多馈源集成透射阵列及设计方法，其特征在于，基于所述多馈源的相位分布，采用共轭场匹配技术得到天线阵列的补偿相位，计算公式为：

φ_TA＝-φ_i ^inc+φ_ref

式中，φ_i ^inc表示相位，φ_ref为常数。