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CN110854547B - 一种阵列馈电式大范围波束扫描反射面天线 - Google Patents

一种阵列馈电式大范围波束扫描反射面天线 Download PDF

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Abstract

本发明属于毫米波波束扫描天线技术领域，具体提供一种基于拓扑优化的阵列馈电式大范围波束扫描反射面天线；将阵列馈源划分为两个或三个子阵馈源，并将第一子阵馈源平行于反射面的焦平面设置，其它子阵馈源均与第一子阵馈源所在平面形成夹角，形成三维阵列馈源。本发明将传统反射面天线的二维阵列馈源改进为三维阵列馈源，克服了传统阵列馈电式波束扫描反射面天线所面临的扫描范围受限的问题，并且能够有效减小单元幅度动态范围，提高可实现性。同时，本发明通过优化子阵馈源与焦平面的夹角角度，有效地减小天线的扫描损耗，克服了大范围波束扫描天线所面临的较大扫描损耗的难题，从而更好地应用于毫米波频段阵列馈电式波束扫描反射面天线领域。

Description

一种阵列馈电式大范围波束扫描反射面天线
技术领域
本发明属于毫米波波束扫描天线技术领域，具体为一种基于拓扑优化的阵列馈电式大范围波束扫描反射面天线。
背景技术
在通信系统中，随着工作频率升高至毫米波频段，会面临一系列难题，如空间损耗增大、大功率源获取困难等，从而限制了系统的作用距离。为实现远距离通信的需求，系统前端的天线需要满足高增益的特点；而高增益天线较窄的波束面临波束对准的问题，因此，亟需实现高增益波束扫描天线。相比传统大口径平板阵列天线，反射面天线具有结构简单、高效率的优势，利用反射面天线获得高增益扫描波束是最佳选择。为此，利用阵列馈源对反射面天线进行照射，通过对馈源的幅相控制，可以实现反射面天线不同指向的高增益波束；而阵列馈源会直接影响反射面天线的辐射性能，为了实现二次辐射波束的大范围覆盖，需要对阵列馈源拓扑进行优化。
近些年来，各种低频段阵列馈电式波束扫描反射面天线得到了研究。如文献“B.Rohrda ntz,T.Jaschke,T.Reuschel,S.Radzijewski,A.Sieganschin,and A.F.Jacob,“An electroni cally scannable reflector antenna using a planar active arrayfeed at Ka-band,”IEEE Trans.Microw.Theory Techn.,vol.65,no.5,pp.1650-1661,May2017.”中公开一种贴片阵列馈电式电扫描反射面天线，该天线利用单元间距0.7λ、7单元规模的阵列馈源实现了反射面在该维度7个波束的扫描，但是由于阵列馈源拓扑布局原因，扫描范围较小。此外，文献“N.H.Abd Rahman,M.T.Islam,N.Misran,Y.Yamada andN.Michishita,“Generating cont oured beams for Malaysia region by using acaustic locus graph[Antenna Applications Cor ner],”IEEE Antennas Propag.Mag.,vol.56,no.6,pp.328-336,Dec.2014.”中公开一种二维非规则拓扑阵列馈源布局方法，该最佳馈源位置优化方法一定程度上提升了天线性能，但是单元幅度动态范围较大，且面临扫描范围受限的问题。
上述天线的研究都工作于较低频段，如Ka、X波段等，对于更高的毫米波频段，如W频段等，受制于收发组件及封装电路尺寸的限制，阵列馈源的单元间距应尽可能大；而较大的单元间距会一定程度上恶化天线的辐射性能；为此，需要针对大单元间距阵列馈源的拓扑布局展开优化，以实现应用于毫米波频段的阵列馈电式波束扫描反射面天线。基于此，本发明提供一种基于拓扑优化的大单元间距阵列馈电式大范围波束扫描反射面天线。
发明内容
本发明目的在于针对上述阵列馈电式反射面天线波束扫描范围受限的问题，提供一种基于拓扑优化的大单元间距阵列馈电式大范围波束扫描反射面天线，用以实现高增益波束扫描范围的拓展以及扫描损耗性能的提升。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种阵列馈电式大范围波束扫描反射面天线，由反射面与阵列馈源构成，其特征在于，所述阵列馈源包括第一子阵馈源与第二子阵馈源，其中，第一子阵馈源位于反射面与反射面的焦平面之间、且平行于反射面的焦平面设置，所述反射面的焦点到第一子阵馈源的投影与第一子阵馈源的中心点重合；所述第二子阵馈源连接于第一子阵馈源，且与第一子阵馈源所在平面形成夹角θ1。
进一步的，所述阵列馈源还包括第三子阵馈源，所述第三子阵馈源连接于第一子阵馈源、且与第二子阵馈源分别位于第一子阵馈源的两侧；所述第三子阵馈源与第一子阵馈源所在平面形成夹角θ2。
进一步的，所述阵列馈电式大范围波束扫描反射面天线中，0°＜θ1,θ2≤8°，且，θ1与θ2可以相等、也可以不相等。
进一步的，所述阵列馈源的离焦距离为d：0＜d≤6λ；所述离焦距离是指反射面的焦点到阵列馈源的第一子阵馈源的垂直距离。
更进一步的，所述第一子阵馈源、第二子阵馈源与第三子阵馈源结构相同；在波束扫描方向上，子阵馈源的规模为n：2≤n≤5，馈源单元间距为S1：0.9λ≤S1≤λ；在与波束扫描方向正交的方向上，子阵馈源的规模为m：m＝4，单元间距为S2＝0.5λ；λ为自由空间传播时的工作波长；S1表示在波束扫描方向上的馈源单元间距，S2表示与波束扫描方向正交的方向上的馈源单元间距。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种阵列馈电式大范围波束扫描反射面天线，基于拓扑优化，将阵列馈源划分为两个或三个子阵馈源，并将第一子阵馈源平行于反射面的焦平面设置，其它子阵馈源均与第一子阵馈源所在平面形成夹角，形成三维阵列馈源，并对阵列馈源的单元间距、离焦距离进行优化；本发明通过将传统反射面天线的平面(二维)阵列馈源改进为三维阵列馈源，并优化了单元间距、离焦距离等参数，所实现的阵列馈源克服了传统阵列馈电式波束扫描反射面天线所面临的扫描范围受限的问题，有效地减小天线的扫描损耗，解决了大范围波束扫描天线所面临的较大扫描损耗的难题，并且能够有效减小单元幅度动态范围，提高可实现性，从而更好地应用于毫米波频段阵列馈电式波束扫描反射面天线领域。
附图说明
图1为本发明阵列馈电式大范围波束扫描反射面天线结构示意图。
图2为本发明实施例中阵列馈电式大范围波束扫描反射面天线与传统反射面天线不同扫描角度增益对比图。
图3为本发明实施例中阵列馈电式大范围波束扫描反射面天线不同扫描角度的远场辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本实施例提供一种阵列馈电式大范围波束扫描反射面天线，其结构如图1所示；由反射面与阵列馈源构成，所述阵列馈源包括结构相同的第一子阵馈源、第二子阵馈源与第三子阵馈源，其中，第一子阵馈源位于反射面与反射面的焦平面之间、且平行于反射面的焦平面设置，所述反射面的焦点到第一子阵馈源的投影与第一子阵馈源的中心点重合；所述第二子阵馈源与第三子阵馈源分别连接于第一子阵馈源的两侧，第二子阵馈源与第一子阵馈源所在平面形成夹角θ1，第三子阵馈源与第一子阵馈源所在平面形成夹角θ2；所述天线在每生成一个固定波束指向的高增益波束时，阵列馈源有且仅有一个子阵馈源处于被激励状态。
上述阵列馈电式大范围波束扫描反射面天线的参数优化过程如下：
步骤1.确定反射面天线的面型公式，即口径、焦径比等参数，再根据预计波束覆盖范围SR(3-dB波束宽度个数)确定在波束扫描方向的整个阵列馈源规模N(N＝q·n，q为子阵馈源数量，n为在波束扫描方向上子阵馈源规模)，预计波束覆盖范围SR等于阵列馈源的规模N；此外，在与波束扫描方向正交的方向上，阵列馈源的规模为m；基于此，单元平均扫描范围ASR表示为：ASR＝SR/N；
步骤2.阵列馈源单元间距优化：在确定阵列馈源规模后，设置波束扫描方向上单元间距变量S1，并且S1的取值范围为0.9λ≤S1≤λ，在与波束扫描方向正交的方向上，阵列馈源单元间距S2＝0.5λ，其中，λ为自由空间传播时的工作波长；不同扫描角度对应的阵列馈源单元激励幅度为ωN、相位为
Figure BDA0002303654510000041
以单元平均扫描范围ASR和反射面天线副瓣电平SLL为优化目标，其中，ASR要满足大于1；以此，确定满足大范围波束扫描条件下的阵列馈源单元间距S1；
步骤3.基于步骤2优化得到的单元间距对阵列馈源进行布阵，将该阵列馈源进行子阵划分，每个子阵独立控制并对应不同的扫描范围，对应的子阵规模为n×m，其中，n为子阵馈源在波束扫描方向上的阵列规模，m为子阵馈源在与波束扫描方向正交的方向上的阵列规模，且m＝4；以子阵馈源边缘照射电平TL为优化目标，确定在波束扫描方向上最优的子阵馈源的规模n，其中，n的取值范围为2≤n≤5；
步骤4.基于步骤3得到阵列馈源的拓扑，以单元幅度动态范围DR(幅度最大值与最小值之比)为优化目标，对其离焦距离d进行优化，即将馈源位置朝向反射面方向移动，以获得更小动态范围的单元幅度分布，并且离焦距离为d的选取范围为0＜d≤6λ，同时要求反射面天线具有较好的辐射性能，由此确定满足目标动态范围的离焦距离d；
步骤5.基于步骤4得到的阵列馈源的拓扑，对不同子阵馈源的空间位置进行优化，不同子阵相对于焦平面旋转角度θ，以进一步降低反射面天线的扫描损耗SL(扫描范围内增益平坦度)，确定满足波束覆盖范围、最小扫描损耗时的旋转角度，并且θ的取值范围为0°＜θ1,θ2≤8°，得到最终的阵列馈源拓扑。
本实施例中，反射面口径大小为207×171mm2，焦径比为0.75，工作频率为94GHz，目标为在一个维度(E面)生成覆盖范围不小于12个波束宽度的扫描波束；由所有子阵馈源构成的整个阵列馈源规模N×m为12×4，其中，在波束扫描方向上整个阵列馈源规模为N＝12，在与波束扫描方向正交的方向上(H面)阵列馈源规模为m＝4；在波束扫描方向上(E面)初始单元间距为S1＝0.9λ，天线副瓣电平SLL在波束覆盖范围内优于–8dB，幅度动态范围DR为10dB，子阵馈源边缘照射电平TL≥–5dB。
基于上述参数优化过程对阵列馈源进行优化，最终得到馈源阵的最优拓扑：在波束扫描方向上(E面)单元间距为S1＝3.09mm(0.97λ)，在另外一个维度即与波束扫描方向正交的方向上(H面)，单元间距为S2＝1.60mm(0.50λ)；阵列馈源的子阵规模n×m为4×4，共包含3个等规模的子阵馈源；优化得到的离焦距离为d＝9.5mm(3λ)；子阵馈源2相对于焦平面的旋转角度为θ1＝5°，子阵馈源3相对于焦平面的旋转角度为θ2＝5°。
如图2所示为传统平面阵列馈源与最优拓扑布局阵列馈源工作时反射面天线增益性能对比，结果表明该方法可以提升天线的增益。如图3所示为仿真得到的该阵列馈源对反射面天线馈电时远场不同波束指向的辐射方向图，该天线实现了13个波束(–6.5°～5.5°)的扫描，3-dB波束宽度为1°，且在整个波束覆盖范围内，均有较好的辐射方向图。为了定量地说明本发明的优越性能，展示了传统阵列馈源与最优拓扑情况下的反射面天线各项指标对比，如下表所示：
N S<sub>1</sub>(λ) DR(dB) SR SL(dB)
传统阵列馈源 12 0.9 10 12 1.9
最优拓扑阵列馈源 12 0.97 35 13 1.6
仿真结果表明本发明通过对阵列馈源拓扑的优化所实现的三维馈源阵列结构，能有效拓宽天线的波束覆盖范围，同时可以使得阵列馈源保持较小的幅度动态范围；此外，还能进一步提升扫描损耗性能指标。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (5)

1.一种阵列馈电式大范围波束扫描反射面天线，由反射面与阵列馈源构成，其特征在于，所述阵列馈源包括第一子阵馈源与第二子阵馈源，其中，第一子阵馈源位于反射面与反射面的焦平面之间、且平行于反射面的焦平面设置，所述反射面的焦点到第一子阵馈源的投影与第一子阵馈源的中心点重合；所述第二子阵馈源连接于第一子阵馈源，与第一子阵馈源所在平面形成夹角θ1、且第二子阵馈源与第一子阵馈源之间夹角为180°-θ1；所述阵列馈电式大范围波束扫描反射面天线工作于毫米波频段，所述夹角θ1的取值范围为：0°＜θ1≤8°。
2.按权利要求1所述阵列馈电式大范围波束扫描反射面天线，其特征在于，所述阵列馈源还包括第三子阵馈源，所述第三子阵馈源连接于第一子阵馈源、且与第二子阵馈源分别位于第一子阵馈源的两侧；所述第三子阵馈源与第一子阵馈源所在平面形成夹角θ2，且第三子阵馈源与第一子阵馈源之间夹角为180°-θ2。
3.按权利要求2所述阵列馈电式大范围波束扫描反射面天线，其特征在于，所述阵列馈电式大范围波束扫描反射面天线中，0°＜θ2≤8°。
4.按权利要求1或2所述阵列馈电式大范围波束扫描反射面天线，其特征在于，所述阵列馈源的离焦距离为d：0＜d≤6λ，λ为自由空间传播时的工作波长。
5.按权利要求2所述阵列馈电式大范围波束扫描反射面天线，其特征在于，所述第一子阵馈源、第二子阵馈源与第三子阵馈源结构相同；在波束扫描方向上，子阵馈源的规模为n：2≤n≤5，馈源单元间距为S1：0.9λ≤S1≤λ；在与波束扫描方向正交的方向上，子阵馈源的规模为m：m＝4，单元间距为S2＝0.5λ；λ为自由空间传播时的工作波长。
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