一种针对相控阵天线的设计方法与流程

本发明涉及天线领域，特别涉及一种针对相控阵天线的设计方法。

背景技术：

1、电磁表面以电磁学的边界条件为研究对象，通过分析、设计、制作各种新型电磁表面器件，实现对电磁波的有效调控。相比于对三维材料的电磁特性调控，电磁边界条件的改变只需进行电磁表面的二维设计，更容易实现低剖面与轻重量，制作容易，成本经济，因此具有更显著的工程应用价值。

2、相对反射面天线采用金属抛物曲面控制射线路径长度以形成等相位面的方式，电磁表面并不控制射线的反射方向，而是直接利用其相位控制特性，调控其生成的相位面的分布形状。若通过设计、调整单元和阵列结构参数，使得每个单元的散射相位补偿馈源到波束方向的路径时延相位差，则各个单元沿波束方向上相位相同，受激产生的二次辐射产生相干叠加，形成高增益波束，实现具有高效平面聚焦功能的新型高增益阵列天线。

3、若在电磁表面单元设计中集成电子控制器件，改变单元的加载电容、谐振特性、单元的物理尺寸或旋转角度，则可实时调控其对入射电磁波的相位响应，实现单元相控功能。由具有相控功能单元组成的电磁表面即为数字相控电磁表面，其突出特点是其组成单元在二次辐射的同时，还可实时调控每个单元的相位特性，实现“辐射”和“相控”功能的集成一体化。

4、因此，为了实现大幅度减少了射频通道数目，降低硬件成本和功耗，使射频收发通道的复杂度降低，本技术提出一种相控阵天线设计方法。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供一种相控阵天线设计方法。

2、本发明采用的技术方案为：

3、一种针对相控阵天线的设计方法，该针对相控阵天线的设计方法采用了移相器前置，多个单元构成一个子阵，只需每个子阵连接一路收发通道；包括以下步骤：

4、步骤1天线馈源设计，阵列天线采用两块厚度相同的taconic tlx-8电路板组成，taconic tlx-8电路板上安装若干微带阵列天线作为馈源，taconic tlx-8电路板间通过中间的金属地将馈电网络和辐射贴片隔离，并且采用空气介质展宽工作带宽，两块taconictlx-8电路板端头安装sma接头；

5、步骤2天线阵列设计，天线阵列设计包括天线阵列口面幅度计算和天线阵列口面的相位分布；

6、步骤3波束控制板设计，波束控制板采用以fpga为主控芯片的控制电路板对反射式电磁表面单元上集成的pin二极管进行数字控制，从而改变阵面的相位分布，在二维±60°空间内实现波束聚焦和扫描；

7、步骤4波束搜索跟踪算法设计，波束搜索跟踪建立在两端获取位置信息后，在天线系统中，首先将相控电磁表面天线端产生固定的宽波束，通过手动调整相控阵所需通信的目标端天线的方位和俯仰，观察相控阵端接收信号的rssi值，当两端建立连接后，相控阵天线端即能够获取目标端的gps位置信息，配合自身的惯导姿态，解算相控阵天线的指向角度，由波控板调取相应的窄波束，从而建立高增益的通信链路。

8、进一步，天线阵列口面幅度计算中，依据知阵元的幅度分布和相位分布，采用阵列法计算天线方向图从而分析天线的性能。

9、进一步，反射阵馈源对阵面单元的照射会随馈源波束变化而变化，阵元均采用e(θ)＝cosqθ形式表征天线的辐射电场方向图，通过平衡口面的溢漏效率和照射效率，优化得口面的边缘电平，使反射阵天线的增益最大、口面效率最高，通过优化馈源的高度，计算天线口面的幅度分布。

10、进一步，阵元采用e(θ)＝cosqθ形式表征天线的辐射电场方向图，式中：θ为方向角，q为一个常数；

11、对于q＝0的情况，e(θ)＝cosqθ退化为常数，即天线在所有方向上的辐射强度相等，称为全向天线；对于q＝1的情况，e(θ)＝cosqθ退化为cosθ，即天线的辐射强度随着方向角的变化呈现出余弦分布规律，称为定向天线；对于q>1的情况，e(θ)＝cosqθ的辐射图呈现出更加窄锐的主瓣和更强的副瓣，即天线的方向性更加明显。

12、进一步，计算天线口面的幅度分布需要先确定天线的电场分布，然后通过电场分布计算天线口面上的幅度分布；

13、对于具体的天线结构和工作频率，使用天线仿真软件进行电场分布的仿真计算；在仿真过程中，需要设置天线的辐射电场方向图，同时优化馈源的高度以达到最佳的辐射效果；

14、完成电场分布的仿真后，能够在仿真软件中进行处理，得到天线口面上的电场幅度分布；

15、如需要得到天线口面上的功率密度分布，能够通过将电场幅度平方得到功率密度分布；

16、此外，还能够通过将电场幅度分布进行归一化处理，得到天线口面上的归一化幅度分布，以此来评估天线的辐射效果。

17、进一步，相控电磁表面天线的每个组成单元所需的相位分布特性，由口径场分析确定，建立下图所示的坐标系统，利用公式：

18、

19、计算每个单元所需实现的补偿相位；

20、每个单元所需实现的补偿相位是由以下三部分组成的：

21、(1)部分是基于天线阵列的几何结构计算得到的，其中，表示第n个天线单元的位置向量，表示指向天线阵列的参考方向的位置向量，k为常数；

22、这部分的计算结果表示的是第n个天线单元需要实现的相位，以使其发出的电磁波能够与其他单元发出的电磁波相干叠加，形成所需的波束方向；

23、(2)δφ这部分是用来对第n个天线单元的发射相位进行微调的，以使得整个阵列的波束方向达到最佳；δφ可以通过优化算法来得到；

24、(3)这部分是由于天线单元的位置向量与波束指向的方向向量之间的夹角不同时，会产生一定的相位差，需要通过相位补偿来进行校正；表示的是第n个天线单元位置向量与波束指向方向向量之间的夹角，用负号表示相差180度。

25、进一步，步骤4中解算相控阵天线的指向角度具体的过程如下：

26、获取目标端的gps位置信息，相控阵天线可以通过接收目标端发射的gps信号来获取其位置信息；根据gps信号的传播时间和速度，计算出目标端与相控阵天线的距离和方向；

27、获取自身的惯导姿态，相控阵天线通过安装在其上的惯性测量单元来获取自身的俯仰角、偏航角和横滚角的姿态信息。

28、计算目标方向向量，根据获取的目标端距离和方向，得到相控阵天线到目标端的方向向量；

29、计算相对方向向量，将计算得到的目标方向向量与获取的自身姿态信息相结合，得到相对方向向量；将目标方向向量旋转到自身坐标系下，然后减去自身位置向量，即能够得到相对方向向量；

30、计算指向角度，将计算得到的相对方向向量转换为指向角度；使用反三角函数计算出方向向量的俯仰角和偏航角，然后将其转换为相对于参考方向的指向角度，即能够得到相控阵天线的指向角度。

31、进一步，波束控制板集成了多种外设接口：支持百兆、千兆的以太网接口，串口，spi，iic，usb，can总线主流协议接口，并且能够实时与上位机通信。

32、进一步，基于该针对相控阵天线的设计方法设计的相控阵天线能够用于电网管辖范围内无4g/5g网络覆盖的输电区域，使用5g相控阵通信系统延伸网络覆盖，支撑供电局日常巡检、电力运行检测及后续智能电网建设。

33、本发明的有益效果是：

34、传统大规模相控阵列天线主要采用“电路处理”方法实现相位控制，虽然具有阵列增益高、辐射灵活等优势，但需要成百上千个移相器以及复杂的馈电网络，不仅成本大，功耗也高。针对该技术瓶颈，本相控阵天线的设计方法基于“界面电磁学”理论，提出“电磁场调控”方法实现相位控制，采用“相控”和“辐射”功能集成一体化的相控电磁表面天线技术，避免了高功耗、高成本的移相网络与控制电路。此外，相控电磁表面的单元结构设计简单，即使到了太赫兹频段，相应的控制器件和材料工艺也相对成熟。由此所获得的新型相控电磁表面天线技术，为低成本、低功耗、高频段的高密度射频前端提供了一个新的解决方案。

35、本相控阵天线的设计方法突破传统凭借先进的电磁场相控体制和独到的机制设计，集成电磁表面控制功能、fpga控制模块和波束搜索跟踪算法于一体，被赋予了高增益、低延时、大带宽、远距离、抗干扰、可移动等优越性能。