一种小阵列馈电的波束赋形透射阵天线

本发明属于天线，特别是一种小阵列馈电的波束赋形透射阵天线。

背景技术：

1、波束赋形是一项重要的天线技术，在无线通信、探测等领域中有广泛的应用需求。实现波束赋形的方法一般有三种。第一种方法是阵列天线，通过使用特定的幅度和相位分布激励天线单元实现所需要的波束赋形，但是这种方法往往需要复杂的馈电网络。第二种方法是仅相位综合的反射阵/透射阵天线，通过设计每个反射/透射单元的相位，在反射/透射表面产生辐射目标波束所需要的相位分布。仅相位方法难以实现高性能的波束赋形，如低的副瓣电平、小的主瓣波纹、陡峭的过渡区域等。第三种方法是幅相均可设计的反射阵/透射阵天线，通过控制部分电磁波反射/透射或者通过控制部分电磁波转换到需要的极化，引入反射/透射表面的幅度调制，从而实现性能好的波束赋形。但是，幅度的控制会造成高的后瓣电平或者高的交叉极化，导致增益和效率下降严重。

2、综上所述，高性能波束赋形天线的设计方案仍待探索。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种小阵列馈电的新型波束赋形透射阵天线，设计得到的波束具有主瓣增益波纹小、副瓣电平低的优点；且具有灵活的波束赋形能力，适用于任意形状波束的设计。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：一种小阵列馈电的波束赋形透射阵天线，所述天线包括一个透射阵面和一个馈电小阵列；

3、所述透射阵面，按常规的聚焦透射阵设计理论进行设计，即根据焦距设计相位分布；在位于焦点的馈源照射下，透射阵面的输出为等相面，产生笔状波束；

4、所述馈电小阵列，位于透射阵面的焦平面处，包括m×n个天线单元，照射到透射阵面后，产生m×n个偏焦扫描波束。

5、进一步地，所述馈电小阵列，其中的m×n个天线单元通过具有一定幅相的功分器进行馈电，产生预期的赋形方向图；天线单元的幅度权重由以下公式计算得到：

6、c＝(a1,a2,...,am)t(b1,b2,...,bn)

7、其中，

8、

9、ai＝fx(θ＝θxi,0°),i＝1,2,...,m

10、bj＝fy(θ＝θyj,90°),j＝1,2,...,n

11、式中，c为馈电小阵列中天线单元的幅度权重矩阵，为二维目标方向图，

12、fx(θ,0°)和fy(θ,90°)分别为xoz和yoz平面上的目标方向图，(θx1,θx2,...,θxm)、(θy1,θy2,...,θyn)分别为xoz和yoz平面上的m和n个偏焦扫描波束的扫描角度。

13、进一步地，所述馈电小阵列，x轴或y轴方向单元的个数m或n通过以下公式计算得到：

14、

15、

16、式中，2θdx0.5、2θdy0.5分别为xoz平面、yoz平面上目标波束的半功率波束宽度，2θs0.5为偏焦扫描波束的半功率波束宽度。

17、进一步地，所述馈电小阵列，各偏焦扫描波束的扫描角度通过等角度间隔采样目标波束的主瓣区域得到。

18、进一步地，所述馈电小阵列，x轴或y轴方向单元偏离焦点的距离dxi、dyj通过以下公式计算得到：

19、

20、

21、式中，f为焦距，bdf为波束偏离系数，通常小于1。

22、本发明与现有技术相比，其显著优点：

23、(1)实现了高性能的赋形波束，包括主瓣增益波纹小、副瓣电平低等优势。

24、(2)具有灵活的波束赋形能力，适用于任意形状波束的设计。

25、下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

技术特征：

1.一种小阵列馈电的波束赋形透射阵天线，其特征在于，所述天线包括一个透射阵面和一个馈电小阵列；

2.根据权利要求1所述的小阵列馈电的波束赋形透射阵天线，其特征在于，所述馈电小阵列，其中的m×n个天线单元通过具有一定幅相的功分器进行馈电，产生预期的赋形方向图；天线单元的幅度权重由以下公式计算得到：

3.根据权利要求2所述的小阵列馈电的波束赋形透射阵天线，其特征在于，所述馈电小阵列，x轴或y轴方向单元的个数m或n通过以下公式计算得到：

4.根据权利要求2所述的小阵列馈电的波束赋形透射阵天线，其特征在于，所述馈电小阵列，各偏焦扫描波束的扫描角度通过等角度间隔采样目标波束的主瓣区域得到。

5.根据权利要求2所述的小阵列馈电的波束赋形透射阵天线，其特征在于，所述馈电小阵列，x轴或y轴方向单元偏离焦点的距离dxi、dyj通过以下公式计算得到：

6.根据权利要求1所述的小阵列馈电的波束赋形透射阵天线，其特征在于，所述透射阵面中每个透射单元包括通过两层介质基板隔开的三层金属层，第一层和第三层金属层由正交的栅格构成，第二层金属层用于旋转极化与提供相移，即x极化的电磁波透过该透射单元产生y极化的电磁波，且通过控制旋转角度β实现透射相位的调制。

7.根据权利要求6所述的小阵列馈电的波束赋形透射阵天线，其特征在于，所述介质基板采用相对介电常数为2.2，厚度为3mm的f4b介质基板。

8.根据权利要求1所述的小阵列馈电的波束赋形透射阵天线，其特征在于，所述天线单元为开槽耦合贴片单元，该开槽耦合贴片单元包括两层介质板，两层介质板中间是地平面，上层介质板的上表面设置贴片层，下层介质板的下表面设置馈线层，馈线层上的能量经过地平面上的开槽耦合到贴片层上。

9.根据权利要求8所述的小阵列馈电的波束赋形透射阵天线，其特征在于，所述上层介质板选用相对介电常数为2.2，厚度为3mm的f4b介质基板，下层介质板选用相对介电常数为3.55，厚度为0.813mm的rogers ro4003介质基板。

技术总结
本发明公开了一种小阵列馈电的波束赋形透射阵天线，该天线包括一个透射阵面和一个馈电小阵列；所述透射阵面，按常规的聚焦透射阵设计理论进行设计，即根据焦距设计相位分布，使在位于焦点的馈源照射下，透射阵面的输出为等相面，产生笔状波束；所述馈电小阵列，位于透射阵面的焦平面处，由M×N个天线单元构成，照射到透射阵面后，产生M×N个偏焦扫描波束；使用适当幅度权重同时激励馈电小阵列中的每个天线单元，即可产生所需要的波束。本发明与现有的波束赋形透射阵天线综合技术相比，具有灵活的波束赋形能力，适用于任意形状波束的设计，且设计得到的波束具有主瓣增益波纹小、副瓣电平低等优势。

技术研发人员：郭欣,朱丽婷,吴文
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13