一种采用多层fss的透射波束调控方法
【专利摘要】本发明公开一种采用多层FSS的透射波束调控方法，其步骤为：(1)构造多层小型化频率选择表面单元；(2)确定频率选择表面各单元尺寸；(3)组成多层频率选择表面FSS；(4)构建不同俯仰角的多层频率选择表面FSS；(5)构建不同方位角的多层频率选择表面FSS；(6)组成传输阵天线；(7)更换多层频率选择表面FSS。本发明可以有效地实现发射天线的大角度波束调控，同时可以很好地实现发射天线的高增益效果。
【专利说明】
一种采用多层FSS的透射波束调控方法
技术领域
[0001] 本发明属于电子技术领域，更进一步涉及电磁材料技术领域中的一种采用多层频 率选择表面FSS(Frequecy Selective Surface)的透射波束调控方法，本发明可以实现发 射天线的大角度波束调控，同时可以很好地实现发射天线的高增益效果。
【背景技术】
[0002] 频率选择表面是指由相同结构的单元按照二维或是三维周期性排列而组成的一 种阵列结构，可以在特定工作频段内形成带阻特性或是带通特性。近几年，在传统的多层 FSS的基础上提出了一种多层非谐振结构组成的小型化单元的设计方法，利用该方法可以 设计小型化且具有宽带性能的带通型FSS，其具有一系列性能优点：频选特性好，角度稳定 性好，当单元层数越多时可以获得越大的相移范围，可以更好地实现传输单元的小型化，因 此更加有利于对辐射的主波束的角度进行调控。
[0003] 华为技术有限公司提出的专利申请"波束选择方法及基站"（申请号： 20140122995.9，公开号：104955061A)中公开了一种波束选择方法及基站，其中，该波束选 择方法包括:基站通过各个波束的天线，接受用户设备的探测参考信号SRS，其中，各个波束 中包括一个宽波束和至少两个窄波束。但是，该方法的不足之处是，天线对主波波束调控的 自由度不够大，不能实现更大角度的波束调控。
[0004] 宁波高新区宁源科技服务有限公司提出的专利申请"一种天线及FSS系统的构建 方法"（申请号：201510154646.X，公开号：104716425A)中公开了一种天线与FSS系统的构建 方法。该方法通过设计一个低副瓣的相控阵天线，仿真得出其辐射特性，然后将FSS天线罩 与相控阵天线进行一体化建模仿真，通过对比天线/FSS系统与原相控阵天线的增益方向 图，分析不同单元结构及尺寸的FSS天线罩对天线增益及副瓣电平产生的影响，并作出选 择，该方法有效降低了设计的复杂程度，提高了设计效率。但是，该方法仍然存在的不足之 处是，使用单层频率选择表面组成的发射天线的增益较低，不具有较高的传输效率。
[0005] 电子科技大学提出的专利申请"一种电控波束扫描反射阵天线及其波束扫描方 法"（申请号：20150200825.2，公开号：104779442A)中公开了一种低成本、低损耗、结构简单 的电控波束扫描反射阵天线及其波束扫描方法。该天线采用了两个初始馈源对反射阵面进 行照射激励，通过改变馈源1和馈源2不同的幅值激励比以改变总入射场在阵面的相位值分 布，从而实现电控的波束扫描。该天线结构简单，无需额外的偏置电路，加工方便。但是，该 方法的不足之处是，需要多个馈源进行馈电，对馈电网络要求较为复杂，且很难实现主波束 的宽角度扫描。
[0006] 北京邮电大学提出的专利申请"一种波束切换方法"（申请号：20130660234.9,公 开号：103607233A)中公开了一种波束切换方法，本发明的波束切换方法，定期对划分出的 hot波束进行波束内切换，以达到波束间切换时最小化需要切换子载波的数目的目的同时 兼顾了系统的整体性能以及实时业务，有效地提升了波束切换的效率。但是，该发明仍然存 在的不足之处是，辐射波束方向的改变不具有连续性，灵敏度较低，在波束调控应用中存在 一定的局限性。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种采用多层FSS的透射波束 调控方法。
[0008] 本发明实现的基本思路是，首先根据不同透射波束方向分别设计对应的多层频率 选择表面，然后保持馈源位置不变，通过更换不同的多层频率选择表面来获得不同波束方 向的透射波，实现透射波的波束调控。
[0009] 为实现上述目的，本发明实现步骤如下：
[0010] (1)构造多层小型化频率选择表面单元：
[0011] 由三层方形金属贴片和两层方形金属环沿垂直方向组成多层小型化频率选择表 面单元，每层方形金属贴片与每层方形金属环采用间隔排列的方式。
[0012] (2)确定频率选择表面各单元尺寸：
[0013] (2a)对不同尺寸的多层小型化频率选择表面单元进行仿真，得到每个不同尺寸多 层小型化频率选择表面单元的传输相位，将传输相位整理为一个相位与尺寸对应的关系 表。
[0014] (2b)利用单元辐射场公式，计算每个多层小型化频率选择表面单元的待补偿传输 相位。
[0015] (2c)从关系表中，查找每个待补偿传输相位所对应的多层小型化频率选择表面单 元的尺寸。
[0016] (3)组成多层频率选择表面FSS:
[0017] 将多层小型化频率选择表面单元按照MXN排布成阵列，组成多层频率选择表面 FSS〇
[0018] (4)构建不同俯仰角的多层频率选择表面FSS:
[0019] (4a)从关系表中，查找0°、30°、45°、60°四个俯仰角分别对应的多层频率选择表面 FSS的各位置单元的尺寸。
[0020] (4b)由查找出的各位置单元尺寸，制作组成多层频率选择表面FSS阵列的各位置 所对应的多层小型化频率选择表面单元。
[0021] (4c)将多层小型化频率选择表面单元按照MXN排布成阵列，分别构建四个俯仰角 所对应的多层频率选择表面FSS。
[0022] (5)构建不同方位角的多层频率选择表面FSS:
[0023] (5a)从关系表中查找30°俯仰角时，30°、45°、60°三个方位角分别对应的多层频率 选择表面FSS的各位置单元的尺寸。
[0024] (5b)由查找出30°俯仰角时的各位置单元尺寸，制作组成多层频率选择表面FSS阵 列的各位置所对应的多层小型化频率选择表面单元。
[0025] (5c)将多层小型化频率选择表面单元按照MXN排布成阵列，分别构建三个方位角 所对应的多层频率选择表面FSS。
[0026] (6)组成传输阵天线：
[0027] (6a)用X波段喇叭天线作为馈源。
[0028] (6b)将0°俯仰角所对应的多层频率选择表面FSS放置在馈源的中心轴向处。
[0029] (7)更换多层频率选择表面FSS:
[0030] (7a)由30°、45°、60°三个俯仰角对应的多层频率选择表面FSS，分别替换0°俯仰角 所对应的多层频率选择表面FSS，产生30°、45°、60°三个俯仰角的透射波。
[0031] (7b)由30°、45°、60°三个方位角对应的多层频率选择表面FSS，分别替换0°俯仰角 所对应的多层频率选择表面FSS，产生30°、45°、60°三个方位角的透射波。
[0032] 本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0033] 第一，由于本发明采用多层频率选择表面组成发射天线，克服了现有技术存在的 天线对主波波束调控的自由度不够大，不能实现更大角度的波束调控的问题，使得本发明 具有了在俯仰角〇°~60°范围的波束调控以及方位角任意角度的波束控制的优点。
[0034] 第二，由于本发明采用多层频率选择表面组成发射天线，克服了现有技术存在的 使用单层频率选择表面组成的发射天线的增益较低，不具有较高的传输效率的问题，使得 本发明具有了高增益传输和较大的波束偏转特性的优点。
[0035] 第三，由于本发明采用位于多层频率选择表面的中心轴向方向的喇叭天线作为馈 源，克服了现有技术存在的需要多个馈源进行馈电，对馈电网络要求较为复杂，且很难实现 主波束的宽角度扫描的问题，使得本发明具有了馈电网络简易，实际操作简单的优点。
[0036] 第四，由于本发明采用更换不同的多层频率选择表面FSS进行波束调控，克服了现 有技术存在的辐射波束方向的改变不具有连续性，灵敏度较低，在波束调控应用中存在一 定的局限性的问题，使得本发明具有了辐射波束方向改变连续性，波束调控操作简易的优 点。
【附图说明】
[0037]图1为本发明的流程图；
[0038] 图2为本发明的多层小型化频率选择表面单元结构示意图；
[0039] 图3为本发明单元尺寸与单元位置的相位信息的对应关系图；
[0040] 图4为本发明不同俯仰角对应的多层小型化频率选择表面示意图；
[0041] 图5为本发明不同方位角对应的多层小型化频率选择表面示意图；
[0042] 图6为本发明不同俯仰角对应的天线在10GHz处的增益特性图；
[0043]图7为本发明不同方位角对应的天线在10GHz处的增益特性图。
【具体实施方式】
[0044] 下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述。
[0045] 参照附图1，对本发明的具体实施步骤作进一步的详细描述。
[0046] 步骤1，构造多层小型化频率选择表面单元。
[0047]由三层方形金属贴片和两层方形金属环沿垂直方向组成多层小型化频率选择表 面单元，每层方形金属贴片与每层方形金属环采用间隔排列的方式。
[0048] 每层方形金属贴片的边长为P，每层方形金属环的宽度为w，P的取值范围为lmm<P <8mm，w的取值范围为0.
[0049] 每层方形金属贴片附着在介质板的上表面，每层方形金属环附着在介质板的下表 面，每个多层小型化频率选择表面单元采用四层介质板，每层介质板厚度均为h = l.5mm，边 长为D = 10mm，介电常数为2.65。
[0050] 步骤2，确定频率选择表面各单元尺寸。
[0051]利用仿真软件HFSS中的无限周期模型floquent端口对不同尺寸的多层小型化频 率选择表面单元进行仿真，得到每个不同尺寸多层小型化频率选择表面单元的传输相位， 将传输相位整理为一个相位与尺寸对应的关系表。
[0052]利用单元福射场公式，计算每个多层小型化频率选择表面单元的待补偿传输相 位。
[0053]单元辐射场公式如下：
[0055] 其中，希·)表示多层小型化频率选择表面单元位置的辐射强度，6表示任意方向矢 量，Μ表示多层频率选择表面FSS总的行数，Σ表示求和操作，m表示多层频率选择表面FSS的 第m行，N表示多层频率选择表面FSS总的列数，η表示多层频率选择表面FSS的第η列，F( ·) 表示馈源的辐射方向图，^表示第m行第η列的多层小型化频率选择表面单元的位置矢量， 4表示馈源位置矢量，Α( ·)表示多层小型化频率选择表面单元的辐射方向图，4为透射波 主波束方向，exp{ · }表示以e为底数的指数函数，j表示虚数单位，ko表示波矢量，| · |表示 绝对值，Φ ^是每个多层小型化频率选择表面单元的补偿相位。
[0056] 从关系表中，查找每个待补偿传输相位所对应的多层小型化频率选择表面单元的 尺寸。
[0057] 步骤3,组成多层频率选择表面FSS。
[0058]将多层小型化频率选择表面单元按照MXN排布成阵列，组成多层频率选择表面 FSS〇
[0059] Μ表示多层频率选择表面FSS总的行数，1彡Μ彡50，N表示多层频率选择表面FSS总 的列数，1彡N彡50。
[0060] 步骤4,构建不同俯仰角的多层频率选择表面FSS。
[00611从关系表中，查找0°、30°、45°、60°四个俯仰角分别对应的多层频率选择表面FSS 的各位置单元的尺寸。
[0062] 由查找出的各位置单元尺寸，制作组成多层频率选择表面FSS阵列的各位置所对 应的多层小型化频率选择表面单元。
[0063] 将多层小型化频率选择表面单元按照MXN排布成阵列，分别构建四个俯仰角所对 应的多层频率选择表面FSS。
[0064] 步骤5,构建不同方位角的多层频率选择表面FSS。
[0065]从关系表中查找30°俯仰角时，30°、45°、60°三个方位角分别对应的多层频率选择 表面FSS的各位置单元的尺寸。
[0066] 由查找出30°俯仰角时的各位置单元尺寸，制作组成多层频率选择表面FSS阵列的 各位置所对应的多层小型化频率选择表面单元。
[0067] 将多层小型化频率选择表面单元按照MXN排布成阵列，分别构建三个方位角所对 应的多层频率选择表面FSS。
[0068]步骤6,组成传输阵天线。
[0069]用X波段喇叭天线作为馈源。
[0070]将0°俯仰角所对应的多层频率选择表面FSS放置在馈源的中心轴向处。
[0071] 步骤7,更换多层频率选择表面FSS。
[0072]由30°、45°、60°三个俯仰角对应的多层频率选择表面FSS，分别替换0°俯仰角所对 应的多层频率选择表面FSS，产生30°、45°、60°三个俯仰角的透射波。
[0073] 本发明的实施例1说明0°俯仰角对应的天线实现波束调控，并能提高天线增益，设 计主瓣方向为θ = 0°〇的传输阵天线，根据单元福射场公式可计算每个单元位置处需补 偿的传输相位信息，图4(a)是0°俯仰角对应的平面传输阵1示意图，将该传输阵放置在X波 段标准喇叭上方100mm处，组成传输阵天线1。
[0074] 本发明的实施例2说明30°俯仰角对应的天线实现波束调控，并能提高天线增益， 设计主瓣方向为θ = 30°，r=_0°的传输阵天线，根据单元福射场公式计算单元相位信息，图4 (b)是30°俯仰角对应的平面传输阵2示意图，将该传输阵放置在X波段标准喇叭上方100mm 处，组成传输阵天线2。
[0075] 本发明的实施例3说明45°俯仰角对应的天线实现波束调控，并能提高天线增益， 设计主瓣方向在Θ = 45°，0 = 0"的传输阵天线，由单元福射场公式计算单元相位信息，图4(c) 是45°俯仰角对应的平面传输阵3示意图，将该传输阵放置在X波段标准喇叭上方100mm处， 组成传输阵天线3。
[0076] 本发明的实施例4说明60°俯仰角对应的天线实现波束调控，并能提高天线增益， 设计主瓣方向在Θ = 60°，@=_〇°的传输阵天线，由单元福射场公式计算单元相位信息，图4(d) 是60°俯仰角对应的平面传输阵4示意图，传输阵4距离在X波段标准喇叭100_，组成传输阵 天线4。
[0077]由30°、45°、60°三个方位角对应的多层频率选择表面FSS，分别替换0°俯仰角所对 应的多层频率选择表面FSS，产生30°、45°、60°三个方位角的透射波。
[0078] 本发明的实施例5说明30°方位角对应的天线实现波束调控，并能提高天线增益， 选定其俯仰角方向为9 = 30°，设定方位角方向为0 = 首先根据单元福射场公式计算出阵 列单元的相位信息，图5(a)是30°方位角对应的传输阵5示意图，利用以上传输阵与馈源喇 口八组成传输阵天线5。
[0079] 本发明的实施例6说明45°方位角对应的天线实现波束调控，并能提高天线增益， 选定其俯仰角方向为9 = 30°，设定方位角方向为@_=_.45_°_，首先根据单元福射场公式计算出阵 列单元的相位信息，图5(b)是45°方位角对应的传输阵6,利用以上传输阵与馈源喇叭组成 传输阵天线6。
[0080] 本发明的实施例7说明60°方位角对应的天线实现波束调控，并能提高天线增益， 选定其俯仰角方向为9 = 30°，设定方位角方向为首先根据单元福射场公式计算出阵 列单元的相位信息，图5(c)是60°方位角对应的传输阵7,利用以上传输阵与馈源喇叭组成 传输阵天线7。
[0081] 参照附图2,对本发明采用的多层小型化频率选择表面单元作进一步的描述。
[0082]图2(a)是多层小型化频率选择表面单元结构示意图，该单元由三层方形金属贴片 1和两层方形金属环2沿垂直方向组成，每层方形金属贴片1与每层方形金属环2采用间隔排 列的方式。每层方形金属贴片附着在介质板的上表面，每层方形金属环附着在介质板的下 表面，每个多层小型化频率选择表面单元采用四层介质板，每层介质板厚度均为h = 1.5mm， 边长为D = 10mm，介电常数为2.65，在工作频段内其损耗为tanS = 〇. 〇〇 1。图2 (b)是方形金属 贴片1示意图，方形金属贴片1的边长为P，P的取值范围为图2(c)是方形金属 环2示意图，方形金属环2的宽度为w，w的取值范围为0.5mm<w<4mm。
[0083] 参照附图3,对本发明中频率选择表面各单元尺寸与所在位置相位信息的对应关 系作进一步的描述。
[0084] 图3(a)是方形金属贴片1尺寸与传输相位的对应关系图，方形曲线、圆形曲线和三 角曲线分别表示方形金属环2的宽为w= 2.25mm，w= 1.5mm，w = 0.5mm时，金属贴片1的边长 在间变化对多层小型化频率选择表面单元传输相位的影响曲线。图3 (b)是方形金 属环2尺寸与传输相位的对应关系图，方形曲线、圆形曲线和三角曲线分别表示方形金属贴 片1边长为P = 4mm，P = 5 · 5mm，P = 7mm时，金属环2的宽在0 · 5mm-4mm间变化对多层小型化频 率选择表面单元传输相位的影响曲线。
[0085] 参照附图6,对本发明中不同俯仰角对应的传输阵天线的增益特性做进一步的描 述。图6是四个俯仰角分别对应的传输阵天线与馈源喇叭天线在10GHz处的上半空间增益曲 线，其中横轴为俯仰角的方向，纵轴为天线增益，传输阵天线1到传输阵天线4分别对应0°、 30°、45°、60°俯仰角的天线增益曲线，馈源喇叭天线对应的是不采用多层FSS的天线增益曲 线，传输阵均对馈源主波束实现了明显的波束压窄，相对馈源喇叭的增益分别提高了 11.4dB、10.2dB、9dB、7.4dB，且对馈源天线的波束实现大角度调控的传输阵天线4主波束相 对于传输阵天线1来说，增益仅下降了 4dB，增益特性良好。
[0086] 参照附图7,对本发明中不同方位角对应的传输阵天线的增益特性做进一步的描 述。图7是三个方位角分别对应的传输阵天线与馈源喇叭天线在10GHz处的上半空间增益曲 线，其中横轴为方向角的方向，纵轴为天线增益，方形曲线、圆形曲线和三角曲线表示θ = 30°俯仰角时，方位角分别为於=撕，，=45°，Ρ = 的天线增益曲线，三个天线的主瓣增益 基本与传输阵天线2在Θ = 30°，口=〇°点的增益大致相同，均为23dB左右，相对馈源天线增益 提高了 10dB以上。
[0087] 以上仅为本发明天线的七个实施例，不构成对本发明的任何限制，显然在本发明 的构思下，可以对本发明的结构和参数进行修改，进而得到本发明的可应用于很好地实现 天线高增益和波束调控的特性，但这些均在本发明的保护之列。
【主权项】
1. 一种采用多层FSS的透射波束调控方法，包括步骤如下： (1) 构造多层小型化频率选择表面单元： 由三层方形金属贴片和两层方形金属环沿垂直方向组成多层小型化频率选择表面单 元，每层方形金属贴片与每层方形金属环采用间隔排列的方式； (2) 确定频率选择表面各单元尺寸： (2a)对不同尺寸的多层小型化频率选择表面单元进行仿真，得到每个不同尺寸多层小 型化频率选择表面单元的传输相位，将传输相位整理为一个相位与尺寸对应的关系表； (2b)利用单元辐射场公式，计算每个多层小型化频率选择表面单元的待补偿传输相 位； (2c)从关系表中，查找每个待补偿传输相位所对应的多层小型化频率选择表面单元的 尺寸； (3) 组成多层频率选择表面FSS: 将多层小型化频率选择表面单元按照MXN排布成阵列，组成多层频率选择表面FSS; (4) 构建不同俯仰角的多层频率选择表面FSS: (4a)从关系表中，查找0°、30°、45°、60°四个俯仰角分别对应的多层频率选择表面FSS 的各位置单元的尺寸； (4b)由查找出的各位置单元尺寸，制作组成多层频率选择表面FSS阵列的各位置所对 应的多层小型化频率选择表面单元； (4c)将多层小型化频率选择表面单元按照MXN排布成阵列，分别构建四个俯仰角所对 应的多层频率选择表面FSS; (5) 构建不同方位角的多层频率选择表面FSS: (5a)从关系表中查找30°俯仰角时，30°、45°、60°三个方位角分别对应的多层频率选择 表面FSS的各位置单元的尺寸； (5b)由查找出30°俯仰角时的各位置单元尺寸，制作组成多层频率选择表面FSS阵列的 各位置所对应的多层小型化频率选择表面单元； (5c)将多层小型化频率选择表面单元按照MXN排布成阵列，分别构建三个方位角所对 应的多层频率选择表面FSS; (6) 组成传输阵天线： (6a)用X波段喇叭天线作为馈源； (6b)将0°俯仰角所对应的多层频率选择表面FSS放置在馈源的中心轴向处； (7) 更换多层频率选择表面FSS: (7a)由30°、45°、60°三个俯仰角对应的多层频率选择表面FSS，分别替换0°俯仰角所对 应的多层频率选择表面FSS，产生30°、45°、60°三个俯仰角的透射波； (7b)由30°、45°、60°三个方位角对应的多层频率选择表面FSS，分别替换0°俯仰角所对 应的多层频率选择表面FSS，产生30°、45°、60°三个方位角的透射波。2. 根据权利要求1所述的一种采用多层FSS的透射波束调控方法，其特征在于，步骤（1) 中所述的每层方形金属贴片的边长为P，每层方形金属环的宽度为W，P的取值范围为1mmSP <8mm，w的取值范围为0.3. 根据权利要求1所述的一种采用多层FSS的透射波束调控方法，其特征在于，步骤（1) 中所述的每层方形金属贴片附着在介质板的上表面，每层方形金属环附着在介质板的下表 面，每个多层小型化频率选择表面单元采用四层介质板，每层介质板厚度均为h = l.5mm，边 长为D = 10mm，介电常数为2.65。4. 根据权利要求1所述的一种采用多层FSS的透射波束调控方法，其特征在于，步骤 (2b)中所述的单元辐射场公式如下：其中，舍·)表示多层小型化频率选择表面单元位置的辐射强度，表示任意方向矢量，M 表示多层频率选择表面FSS总的行数，Σ表示求和操作，m表示多层频率选择表面FSS的第m 行，N表示多层频率选择表面FSS总的列数，η表示多层频率选择表面FSS的第η列，F( ·)表示 馈源的辐射方向图，4表示第m行第η列的多层小型化频率选择表面单元的位置矢量，吞表 示馈源位置矢量，Α( ·)表示多层小型化频率选择表面单元的辐射方向图，各为透射波主波 束方向，exp{ ·}表示以e为底数的指数函数，j表示虚数单位，ko表示波矢量，I · I表示绝对 值，Φ ^是每个多层小型化频率选择表面单元的补偿相位。5. 根据权利要求1所述的一种采用多层FSS的透射波束调控方法，其特征在于，步骤 (3)、步骤(4c)、步骤(5c)中所述的M表示多层频率选择表面FSS总的行数，1彡M彡50，N表示 多层频率选择表面FSS总的列数，KNS 50。
【文档编号】H01Q15/00GK106025564SQ201610409929
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月13日
【发明人】李龙, 张天亮, 刘海霞, 席瑞, 孔晓洋, 史琰, 翟会清
【申请人】西安电子科技大学