[发明专利]一种低成本四维透射阵列天线的低副瓣扫描方法

说明书

本发明公开了一种低成本四维透射阵列天线的低副瓣扫描方法。本发明的创新点在于将四维天线理论与PIN二极管控制的2‑bit可重构透射阵列天线技术相结合，利用具有2‑bit相移的透射阵列单元代替了大量T/R组件，避免了复杂笨重的馈电结构，有效降低制造成本；通过给每个透射阵单元引入周期时间调制函数，拓展了每个单元的幅度及相位范围，从而实现低副瓣扫描特性；低副瓣扫描方向图综合即时间调制函数的时序设计过程分两个阶段完成：首先根据凸优化综合中心频率方向图，并利用一定的约束条件将四个相位导通持续时间缩减为一个变量；然后再将利用差分进化算法抑制边带电平。本发明可用于无线通信及雷达系统中。

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及到一种低成本四维透射阵列天线的低副瓣扫描方法，具体来说结合了四维天线理论与PIN二极管控制的2-bit可重构透射阵列天线技术，利用具有2-bit相移的透射阵单元代替了大量T/R组件，避免了复杂笨重的馈电结构。另外通过对透射阵单元的透射相移引入时间调制函数，实现透射阵列天线辐射波束的灵活调控与设计。

背景技术

随着现代无线通信系统与雷达系统的不断发展，各类应用对于天线性能与结构的要求越来越严格。低成本，低副瓣，高增益，灵活的波束赋形等优势成为天线领域研究的重点。传统相控阵虽然能实现波束扫描的效果，但其馈电网络较为复杂笨重，且常规幅度相位加权很难高精度地满足天线阵低副瓣的需求，其应用范围大大受限。

透射阵列天线由透射阵面及馈源喇叭组成。其中，透射阵面一般为周期排布的透射单元组成的平面阵列。其工作原理为：馈源发射的电磁波沿不同路径到达透射阵单元，通过合理设计透射阵单元的传输相移，可用以补偿入射波路径及波束指向所带来的相位延迟，使出射波形成沿指定辐射方向的等相位平面波。与传统相控阵相比，这种结构将辐射单元与移相单元结合，馈电结构大大简化。但是，传统透射阵面相位分布一旦确定就很难改变，这给透射阵列天线的波束扫描带来了难题。常见的一种扫描方式是机械扫描，在保持馈源固定的情况下，通过旋转或移动透射阵面实现。例如Eduardo B.Lima等人在“CircularPolarization Wide-Angle Beam Steering at Ka-Band by In-Plane Translation of aPlate Lens Antenna”中提出了一种在馈源上方平移透射阵面板得到波束扫描效果的方法。但这类方法或多或少局限于空间、扫描角度或结构复杂程度。另一种扫描方式在保持透射阵面及馈源固定的同时，在焦平面上设置一组馈源，通过切换不同馈电端口以实现扫描波束切换及多波束，如Laurent Dussop等人在“A V-Band Switched-Beam LinearlyPolarized Transmit-Array Antenna for Wireless Backhaul Applications”采用了这种方式，但其每个端口只对应一个固定波束，牺牲了辐射自由度。电子科技大学Peng-YuFeng等人在“Phased Transmitarray Antennas for 1-D Beam Scanning”一文中提出了利用相控阵作为馈源实现波束扫描的方法，但其只能一维扫描。“2-Bit ReconfigurableUnit-Cell and Electronically Steerable Transmitarray at Ka-Band”等文中利用可重构透射阵单元可以方便地调整透射阵面满足不同的相位分布要求，但此类单元只有两个或四个相位，其必会带来扫描角度有误差，副瓣抬高等问题。此外，每个透射阵单元接近的传输损耗并不利于实现理想的幅度加权。