一种通过多焦点相位分布的平面透镜波束扫描天线系统与方法

1.本发明涉及透镜和相控阵的技术领域，特别涉及一种通过多焦点相位分布的平面透镜波束扫描天线系统与方法。


背景技术：

2.平面透镜天线具有低剖面、低成本和易于集成的特点，应用于无线通信系统中具有非常巨大的优势，而5g/6g等新一代无线通信、卫星通信、物联网等领域通常要求阵列天线具有高增益和大角度波束扫描的能力，尤其是面向无线接入、无线回传和卫星通信终端等应用，为了满足卫星通信和5g/6g 陆基移动通信基站对高增益、高方向性、窄波束和大角度扫描的需求，通常需要过百个有源相控阵天线通道，这使得整个天线和射频前端的造价非常昂贵、系统效率低，同时在有限空间内密集地集成大规模有源相控阵收发通道使得系统级散热成为另一个严重的问题。
3.目前最常见使用平面透镜天线实现波束扫描的方法是使用喇叭作为馈源在焦平面移动来实现波束扫描，但这种移动方式具有增加透镜剖面，需要斜入射以及机械扫描装置复杂等问题；另一种方法是使用喇叭作为馈源在水平面移动来实现透镜天线波束扫描，这种移动方式具有降低透镜剖面，不需要斜入射以及机械扫描装置简单等优点，但由于喇叭移动方式的改变使其相位误差增加，增益下降严重，导致透镜天线无法实现大角度扫描。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的是提供一种通过多焦点相位分布的平面透镜波束扫描天线系统与方法，能够在大角度扫描时对空间相位补偿，减小相位误差，提高大角度扫描增益，使得透镜天线系统具有大角度波束扫描能力，同时具备多波束和多子域工作能力。为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，提供了一种通过多焦点相位分布的平面透镜波束扫描天线系统，包括：
5.平面透镜天线，所述平面透镜天线包括相位调制层、设置于所述相位调制层上的耦合层及设置于所述耦合层上的极化转化层,其中耦合层和极化转化层可根据天线工作极化需求添加，并不是必须存在；
6.馈电天线，所述馈电天线为电控伺服平面轨道移动喇叭馈源、射频开关电控的阵列天线、有源/无源相控阵天线中的一种，通过双极化馈电天线实现双极化辐射功能，且所述馈电天线通过rf输入和fpga控制。
7.优选的，所述、射频开关电控的阵列天线包括n个并列的馈电天线组成。
8.一种通过多焦点相位分布的平面透镜波束扫描天线的方法，包括以下步骤：
9.s1、计算单焦点平面透镜相位分布水平位置改变时的透射相位，并通过泰勒公式展开得到一阶线性项；
10.s2、比较单焦点平面透镜相位分布透射相位和理想透射相位的相位误差，根据相
位误差判断所需进行相位补偿的区域；
11.s3、采用交叉式多焦点透镜相位分布设计，每个焦点独立补偿对应透镜区域，通过调整优化焦点的焦距和位置可补偿透镜的相位；
12.s4、拟合平面透镜天线波束扫描方向图，验证是否满足预设计的波束扫描角度范围；
13.s5、计算平面透镜的相位分布图，使用选定或设计好的透镜单元结构，根据计算的理论相位分布图完成透镜阵面分布设计；
14.s6、通过馈电天线进行快速电控波束扫描。
15.优选的，所述步骤s1中的计算透射相位的方法为：
16.设置传播常数为k0，x轴馈电偏移量为a，焦距为f，输出光束的倾斜角度α0，则透射相位为：
[0017][0018]
理想透射相位为：
[0019][0020]
优选的，所述步骤s3中计算三焦点平面透镜相位的方法为：
[0021]
b为透镜分块连接点，a为透镜上的任意一点，则三焦点平面透镜相位公式：
[0022]
φ(x,y,z)＝kr+φ0,(x,y,z)∈t2[0023]
φ(x,y,z)＝-kr
bf3
+kr
ab
sinθ1+kr
af3
+kr
bf2
+φ0,(x,y,z)∈t1∪t3。
[0024]
优选的，该多焦点平面透镜设计方法通过扩展维度实现俯仰角和方位角两个维度的波束扫描覆盖。
[0025]
优选的，该多焦点平面透镜设计方法通过调整透镜单元结构和尺寸，实现工作频率为微波、毫米波或太赫兹频段。
[0026]
本发明与现有技术相比，其有益效果是：通过多焦点相位分布实现大角度扫描的平面透镜波束扫描天线系统和方法，涉及透镜和相控阵天线领域，基于射线追踪法利用多焦点相位分布来补偿由于馈源的水平位置改变而导致的出射相位的相位误差，实现大角度波束扫描，该透镜波束扫描天线支持喇叭天线、开关阵列天线和有源/无源相控阵天线馈电，通过双极化馈电天线实现双极化辐射功能，结合已申请专利《一种相位可覆盖3600且可实现极化转化功能的透镜单元》中的可实现相位调制和极化转化功能的透镜单元结构，使透镜可同时实现线极化-圆极化相互转化功能和大角度快速波束扫描功能，该透镜波束扫描天线同时兼具多波束、低旁瓣、特殊波束赋形、快速波束扫描功能。
附图说明
[0027]
图1为根据本发明的通过多焦点相位分布的平面透镜波束扫描天线系统与方法的平面透镜单焦点相位分布图；
[0028]
图2为根据本发明的通过多焦点相位分布的平面透镜波束扫描天线系统与方法的单焦点出射相位和理想出射相位比较图；
[0029]
图3为根据本发明的通过多焦点相位分布的平面透镜波束扫描天线系统与方法的平面透镜三焦点相位分布图；
[0030]
图4为根据本发明的通过多焦点相位分布的平面透镜波束扫描天线系统与方法的三焦点出射相位和理想出射相位比较图；
[0031]
图5为根据本发明的通过多焦点相位分布的平面透镜波束扫描天线系统与方法的平面透镜五焦点相位分布图；
[0032]
图6为根据本发明的通过多焦点相位分布的平面透镜波束扫描天线系统与方法的五焦点出射相位和理想出射相位比较图；
[0033]
图7为根据本发明的通过多焦点相位分布的平面透镜波束扫描天线系统与方法的拟合单焦点波束扫描方向图；
[0034]
图8为根据本发明的通过多焦点相位分布的平面透镜波束扫描天线系统与方法的拟合三焦点波束扫描方向图；
[0035]
图9为根据本发明的通过多焦点相位分布的平面透镜波束扫描天线系统与方法的拟合五焦点波束扫描方向图；
[0036]
图10为根据本发明的通过多焦点相位分布的平面透镜波束扫描天线系统与方法的计算平面透镜相位分布图；
[0037]
图11为根据本发明的通过多焦点相位分布的平面透镜波束扫描天线系统与方法的三焦点相位分布平面透镜系统示意图；
[0038]
图12为根据本发明的通过多焦点相位分布的平面透镜波束扫描天线系统与方法的平面透镜仿真的波束扫描方向图。
具体实施方式
[0039]
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。
[0040]
参照图11，一种通过多焦点相位分布的平面透镜波束扫描天线系统，包括：平面透镜天线，所述平面透镜天线包括相位调制层、设置于所述相位调制层上的耦合层及设置于所述耦合层上的极化转化层，所述相位调制层用于实现对入射波相位补偿的功能，所述耦合层用于相位调制层和极化转化层耦合馈电，所述极化转化层用于实现多种极化转化功能，如线极化转圆极化、圆极化转线极化、垂直极化转水平极化,其中耦合层和极化转化层可根据天线工作极化需求添加；馈电天线，所述馈电天线为电控伺服平面轨道移动喇叭馈源、射频开关电控的阵列天线、有源/无源相控阵天线中的一种，所述馈电天线给平面透镜天线馈电，实现大角度扫描和极化转化功能，且所述馈电天线通过rf输入和fpga控制，本文中以实施例的所述射频开关电控的阵列天线包括n个并列的馈电天线组成，通过使用fpga控制这样的一个或连续多个馈电天线来实现透镜的电控波束扫描,通过调整透镜单元结构和尺寸，实现工作频率为微波、毫米波或太赫兹频段。
[0041]
s1、计算单焦点平面透镜相位分布水平位置改变时的透射相位，并通过泰勒公式展开得到一阶线性项，该线性项即为理想透射相位。
[0042]
假设入射电场照射透镜具有球形相位分布，传播常数为k0，x轴馈电偏移量为a，焦距为f，则入射相位为：
[0043][0044]
如图1所示，为了获得可以任意倾斜角度α0的输出光束，在中心馈电位置(a＝0)，采用单焦点相位分布，利用射线追踪法给透镜引入相位延迟，则透镜相位为：
[0045][0046]
由于出射相位等于入射相位加透镜相位，则透射相位为：
[0047][0048]
分析出射相位可知，当x＝a/2,y＝0，出射相位呈线性，可以证明透射相位的二阶导数在这一点是空的(与α0无关)，因此围绕这一点进行泰勒展开可以得到一阶线性项，即理想透射相位(无相位误差)：
[0049][0050]
s1、比较单焦点平面透镜相位分布透射相位和理想透射相位的相位误差，根据相位误差判断所需进行相位补偿的区域，对这些区域分开进行补偿。
[0051]
如图2所示，当馈电位置为0.8f时，单焦点透射相位和理想透射相位的相位越沿x轴正方向误差越大，因此，为了实现大角度扫描，需要对这些相位误差较大的区域进行补偿。
[0052]
s3、针对单焦点平面透镜难以实现大角度扫描问题，采用交叉式多焦点透镜相位分布设计，每个焦点独立补偿对应透镜区域，通过调整优化焦点的焦距和位置可补偿透镜的相位，实现指定波束扫描角度的透镜透射相位分布设计。
[0053]
如图3所示，将平面透镜划分成三部分，分别记作t1、t2和t3。这三部分对应的虚拟焦点依次为点f1、f2、f3。对于t2部分，相位分布设计仍按照传统单焦点相位分布的设计方法，即将从点f2辐射的球面波转化成等相位平行于透镜的平面波。t1的虚拟焦点为f1，采取的相位分布是使f1发出的球面波转换成与透镜平面存在一定夹角的平面波，即t1的透射波束的指向角为θ1。t1和t3的相位分布关于z轴对称，因此透镜整体的相位分布也是轴对称的。此外为了消除分块处相位不连续分布造成的影响，我们令分块透镜在连接处各点的相位保持一致。整个透镜口径的相位分布由虚拟焦点f1与f2的位置、透镜分块点b的位置以及透射波束指向角共同决定。 b为透镜分块连接点，a为透镜上的任意一点，θ1为透镜t1及t3部分的透射波束指向角。根据几何光学等光程差原理，我们可以推算出该设计中的透镜相位分布公式：
[0054]
φ(x,y,z)＝kr+φ0,(x,y,z)∈t2[0055]
φ(x,y,z)＝-kr
bf3
+kr
ab
sinθ1+kr
af3
+kr
bf2
+φ0,(x,y,z)∈t1∪t3[0056]
如图4所示，当馈电位置为0.8f时，三焦点出射相位和理想透射相位的相位误差，相比于单焦点透射相位和理想透射相位的相位误差有所减小，在 0.8f-1.2f的透射相位接
近线性，但在x轴大于1.2f的区域相位误差依然很大。
[0057]
如图5所示，为解决大于1.2f的区域相位误差依然很大的问题，将透镜划分成五部分，分别记作t1、t2、t3、t4和t5。这五部分对应的虚拟焦点依次为点f1、f2、f3、f4和f5。
[0058]
如图6所示，当馈电位置为0.8f时，五焦点透射相位和理想透射相位的相位误差很小，接近线性。
[0059]
s4、拟合平面透镜天线波束扫描方向图，验证是否满足预设计的波束扫描角度范围。
[0060]
为验证多焦点平面透镜相位分布能否使平移馈源透镜实现大角度扫描，对方向图进行拟合。如图7、8、9所示，单焦点相位分布增益下降3db的扫描角度为
±
15
°
，三焦点相位分布增益下降3.8db的扫描角度为
±
48
°
，五焦点相位分布增益下降3.5db的扫描角度为
±
71
°
。
[0061]
s5、计算平面透镜的相位分布图，使用选定或设计好的透镜单元结构，根据计算的理论相位分布图，完成透镜阵面分布设计。
[0062]
如图10所示，为验证拟合的波束扫描方向图是否正确，采用《一种相位可覆盖3600且可实现极化转化功能的透镜单元》中的可同时实现相位调制和极化转化功能的单元结构作为透镜单元结构，以三焦点相位分布为例，计算得到透镜的相位分布图。
[0063]
s6、根据应用需求不同，选用该透镜天线支持的电控伺服平面轨道移动喇叭馈源、射频开关电控的阵列天线、有源/无源相控阵天线中的一种作为透镜天线馈源，实现快速电控波束扫描。
[0064]
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的，对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
[0065]
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。