反射式天线阵列及波束扫描方法与流程

本发明属于通信技术领域，尤其是一种反射式天线阵列。

背景技术：

雷达天线是雷达中用以辐射和接收电磁波并决定其探测方向的重要设备，雷达的重要战术性能，例如探测距离、探测范围、探测角(方位、俯仰)精度、角度分辨率和反干扰能力等，均与雷达天线性能有关。

为实现雷达对目标的探测和追踪，一般的雷达天线需要具有波束扫描能力，按其扫描方式，可将雷达天线分为机械扫描天线、电子扫描天线和机电扫描天线三类。机械扫描天线采用较多的为抛物面天线和透镜天线，具有旁瓣和后瓣电平小、定向性好等优点，因此在航空、航天、卫星通信、移动通信等领域获得了重要而广泛的应用。但由于传统抛物面天线和透镜天线具有体积大、重量高、安装复杂、不易于集成等问题，在机载雷达、星载雷达和弹载雷达等对体积和质量有着苛刻要求的系统中难以获得应用。当今主流的相控阵雷达天线中即采用了电子扫描方式，在这种天线中每个雷达天线单元连接一个移相器，且所有的移相器由计算机控制，从而实现天线的波束扫描。但相控阵天线中的移相器等T/R组件价格昂贵。

反射面天线具有高增益、低副瓣、主瓣窄等优点，可以在形成高增益和要求形状波束的同时，馈电简单、设计比较容易、成本较低，能满足多种常规雷达系统的要求。反射面天线是卫星通信地面终端站天线的主要形式之一，在远程无线电通信和高分辨雷达等方面有广泛应用。反射面天线由一个反射表面和一个馈电天线构成，通过反射面对电磁波的散射效应形成期望的辐射方向图。

但是现有反射式天线阵列的体积还比较大，波束调控功能不够全面等缺点。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的上述问题，提供一种反射式天线阵列。

具体的方案为：提供一种反射式天线阵列，包括可编程基板和超材料表面，所述超材料表面包括若干个有源天线单元，该有源天线单元包括超材料单元和连接在超材料单元之间的有源二极管；当有源二极管的状态排布不同时，超材料表面的“0”、“1”状态分布不同；进而将平面波反射形成所需要的辐射波束。

在进一步的实施例中，反射式天线阵列还包括激励源和金属支架，所述激励源、可编程基板与超材料表面固定于该金属支架上。

在进一步的实施例中，所述超材料单元的散射远场

其中，θ和分别为辐射波束的俯仰角和方位角；D为超材料单元的宽度；k为自由空间的波数；每个单元的相位为N、m、n为自然数。所述激励源为圆锥喇叭，所述圆锥喇叭的顶角θ＝2arctan(a/2L)，其中a为喇叭口面直径，L为喇叭辐射长度。所述圆锥喇叭转动连接于金属支架上，圆锥喇叭的转动角度为0-60°。

本发明还提供一种波束扫描方法，基于上述反射式天线阵列实现，所述波束扫描方法包括如下步骤：根据电磁逆算法设计相对应的表面编码；

将表面编码写入FPGA控制板，控制二极管的通断；

超表面单元相位发生变化，平面波由超表面反射后得到辐射波束。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

(1)、本发明设计的有源超材料单元通过有源二极管的通断实现了控制其不同相位的工作状态“0”和“1”，根据电磁编码逆向算法，由雷达系统对辐射波束的不同要求，可快速设计相对应的“0”和“1”编码排布，通过可编程基板快速控制对应的有源二极管，控制波束扫描角度和辐射波束。与传统抛物面雷达天线相比，可直接进行数字控制，无需复杂昂贵的移相器以及AD/DA转换器，实现更全面的波束调控功能，不但可以进行波束扫描，还能够产生高增益单波束、双波束和可控多波束，且能够灵活切换。

(2)、本发明驱动电压和功耗低，结构简单。可编程基板通过5V电压即可进行驱动，而且单个有源二极管的工作电流很低(5.2mA)，整个控制板和有源超材料表面功率消耗低。整体结构采用激励喇叭源、超材料表面和可编程基板组成即可生成0°-70°的全方位扫描波束，与传统结构相比，不需要机械转动天线结构即可实现需要方位角度的辐射波束，整体体积减小，增加灵活性。

(3)、本发明反射面和激励喇叭源集成在金属支架上，通过调节喇叭源与反射面的方位就可实现最佳的反射波束，可适应于不同的激励喇叭与反射面，具有灵活的调节性。

附图说明

图1a为本发明的原理图；图1b为本发明的结构示意图。

图2a、图2b和图2c分别为本发明的有源天线单元的主视图、后视图和侧视图。

图3为本发明的激励喇叭源的结构图。

图4a和图4b为本发明的天线支架的侧视图和俯视图。

图5为本发明的可编程基板原理框图。

图6a和图6b分别为本发明在10GHz频率点测试的单波束辐射方向图。

图7a和图7b为本发明在10GHz频率点测试的双波束辐射方向图。

图8是本发明的工作流程图。

具体实施方式

申请人经研究后认为：传统的反射面天线通过设计反射面的形状来实现期望的辐射方向，反射面的结构和性能就已经固定，无法根据实际需要对天线进行实时控制。可编程反射面天线具有传统抛物面反射天线和相控阵天线的优点，通过调节二维结构的微带反射天线的单元排列，能够实现单个波束或多个波束同时工作，并覆盖特定形状的空域，在卫星通信和电子对抗等技术领域获得广泛应用。微带反射天线是改进卫星通信系统性能的一项关键性技术，也是现代电子对抗中分选大量目标的一种重要手段。以下详细描述本发明的技术方案和实施案例。

在图1a至图7所示的实施例中，该反射式天线阵列主要包括喇叭激励源1、超材料表面5和可编程基板4；有源天线单元6由有源二极管器件2和超材料单元3组成；“0”、“1”超材料表面由n×n个有源天线单元阵列组成；可编程基板通过插槽与超材料表面相连接，通过下载线将编码序列写入到可编程基板；所述喇叭激励源、可编程基板和“0”、“1”超材料表面固定在金属支架上。

喇叭激励源作为信号激励源，发射平面波至“0”、“1”超材料表面，其发射的平面波面积与超材料表面大小近似，最大的将平面波反射，形成高增益、方向性较好的反射波束，通过调整喇叭激励源的位置和方位角即可实现对不同大小的反射板天线发射进行适当的激励。“0”、“1”超材料表面通过控制有源二极管器件的通断改变表面的“0”、“1”状态分布，将喇叭激励源的平面波反射形成所需要的辐射波束。可编程基板按照雷达波束的要求将特定的“0”、“1”编码分布通过FPGA控制板写入，控制有源二极管器件的通断，将平面波反射形成特定的辐射波束。

喇叭激励源可提供平面波激励，保证超材料表面上所有的有源天线单元接受到的平 面波相位幅度相同。金属支架7可调节激励喇叭源和超材料表面的距离和方位，实现每个有源超材料单元都可作用于反射波束，达到最佳的反射效果。

在上述的反射式天线阵列中，所述有源天线单元的“0”和“1”工作状态通过控制有源二极管器件的通断实现，两种不同的工作状态下其工作频率范围内的相位相差180°，构成0和1的1bit编码超材料单元。

如图2a至图2c所示为有源天线单元结构，通过表面的辐射贴片上两个通孔分别连接地与电源正极，给有源二极管器件2供电，极大简化了整个系统的供电。

其中，结构中参数l1、l2可改变单元的工作频率点；w2为有源二极管器件的长度；根据有源二极管器件2的通断，对参数s1、s2和w1进行优化可得到两种情况下相位相差180°，那么由此单元可以设计在X波段各个频点对应的单元。

所述“0”、“1”超材料表面上所有的单元形成的方向性由式(1)进行表示，其中，θ和分别为辐射波束的俯仰角和方位角；为超材料单元3的散射远场；k为自由空间的波数；D为单元的宽度；每个单元的相位为通常为0°或180°。那么就可以计算得到反射式天线所形成的方向图。

可编程基板通过FPGA控制板实现，具有成本低、易于集成、稳定性高等优点，根据雷达辐射波束的需求，由电磁逆算法计算得到的“0”、“1”超材料表面的编码通过下载线写入到FPGA的控制模块中，为保证FPGA具有足够的带载能力，通过整流模块整流，使其具有足够的驱动电流，从而控制有源二极管器件的两端电压，达到实现对各个二极管通断控制的目的，从而构成相位差为180°的两种不同工作状态。

激励喇叭源的结构参数如图2a至图2c所示，采用圆锥喇叭，设计在10GHz频点发射平面波。由相位容差(δ不应大于0.32λ)可确定圆锥顶角大小θ＝2arctan(a/2L)＝2arctan(L/(L+δ))，其中a为喇叭口面直径，L为喇叭辐射长度。根据中心频点可确定圆锥喇叭其他参数，实现喇叭激励输出平面波效果。

天线支架结构如图4a和图4b所示，反射板固定在支架一端，喇叭激励源1在支架另一端，其位置和俯仰角可变。距离反射板的距离在范围120mm～320mm内可调，高度 变化范围为100mm～300mm，且喇叭能够在60°的角度内旋转，具有较高的可调节性。

如图8所示，本发明的工作过程是：首先由喇叭激励源发出平面波到“0”、“1”超材料表面，根据不同工作状态的超材料表面实现操纵电磁波的特性，通过可编程基板将计算得出的不同编码序列表述到“0”、“1”超材料表面，实现了不同电磁波束的控制和扫描，可形成单波束、双波束和四波束等辐射波束。

结合本发明方法的反射式可编程天线阵列，由20×20个有源天线单元组成，反射板整体的大小200×200×1.8(mm)，工作频段为9.7-10.2GHz，通过PC将编码序列写入到可编程基板(FPGA)中，实现通过有源二极管器件的通断控制超材料表面“0”、“1”分布，实现了波束扫描控制和单波束、双波束和多波束快速切换。

图6a和图6b、图7a和图7b分别为本发明的实例在10GHz频率点测试的单波束和双波束方向图。根据雷达波束方向需求，通过电磁逆运算方法，快速设计出超表面所需要的20×20每个单元的编码序列，由PC端通过对应的FPGA控制板写入特定方向角度的编码程序，将单波束的0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°编码序列分布写入FPGA基板的芯片中。测试了整个反射式天线的单波束性能(增益和方向图)。改变超材料表面的编码排布，激励喇叭源的平面波由超表面反射后，生成了精确的高增益、低旁瓣的辐射波束，达到了控制波束扫描的功能，满足了雷达系统对天线不同辐射波束的要求。对多波束扫描通过写入编码序列对辐射角度为-45°、30°的双波束辐射进行了测试，结果表明在相应角度产生相对应的波束，通过改变超表面的编码实现操控电磁波束的辐射，实现千变万化的波束扫描功能。

总之，本发明公开了一种反射式天线阵列，该反射式天线阵列包括多个有源天线单元、可编程基板、激励源喇叭天线和金属支架。所述有源天线单元由有源二极管和超材料单元结合而成，通过改变单元尺寸可控制其工作频段。所述可编程基板(FPGA)在反射面背板，通过400针直插式端子与各个天线单元相连接，控制有源天线单元上每个二极管的通断，达到控制天线反射面上单元的工作状态。所述激励喇叭源为圆锥喇叭，可产生宽频带的平面波，通过喇叭激励源的激励，天线阵列工作在不同的辐射模式，产生不同角度和不同个数的辐射波束，满足雷达系统对波束不同的需求。金属支架用以固定激励喇叭和天线反射板，可调节激励喇叭源和反射面的方位，实现最佳的反射波束输出。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的 具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。