一种基于超表面阵列的天线波束赋形方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN113991304A(43)申请公布日2022.01.28(21)申请号202111096339.2(22)申请日2021.09.15(71)申请人北京邮电大学地址100876北京市海淀区西土城路10号(72)发明人何元郭伯岩(51)Int.Cl.H01Q3/26(2006.01)H01Q25/00(2006.01)权利要求书1页说明书6页附图5页(54)发明名称一种基于超表面阵列的天线波束赋形方法(57)摘要为了实现天线高增益、宽频带和宽角度的设计要求，本发明实例提出一种针对天线进行波束赋形的方法，该方法包括：根据天线中心频点确定超表面单元边长及相对介电常数；仿真得到该超表面单元在满足透射率要求情况下的透射相位与贴片几何参数对应表；计算得到天线的等效相位中心从而确定天线与超表面阵列之间的距离；计算得到超表面阵列的单元数N×M；根据各个超表面单元的几何位置将其分组；通过费马原理计算各个超表面单元几何位置处的相位差；根据相位差选择确定各组超表面单元的贴片几何参数；在一定范围内进行仿真优化以实现波束赋形的目标。CN113991304ACN113991304A权利要求书1/1页1.一种用于实现天线波束赋形的超表面阵列优化设计方法，其特征在于，包括：针对已知的某一特定天线的中心频点确定超表面单元的几何参数和相对介电常数，确定天线等效相位中心，确定超表面阵列位置，确定超表面阵列单元数N×M，对超表面单元进行分组，确定每组超表面单元的贴片几何参数，利用Matlab接口控制HFSS软件进行仿真验证和局部优化。2.根据权利要求1所述的超表面阵列，其特征在于，超表面单元采用三明治型谐振腔结构，超表面阵列采用N×M矩形排布，其中，超表面单元为三层结构，包括：上层和下层为由方形贴片和圆形贴片组成的贴片层，方形贴片的几何参数主要影响超表面单元的透射率，圆形贴片的几何参数主要影响超表面单元的透射相位分布；中间层为具有一定相对介电常数的矩形介质基板，其几何尺寸和相对介电常数共同决定超表面单元的中心频点。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过调整超表面单元矩形介质基板的几何参数和相对介电常数的方法来改变其中心频点的方法，一般来说，超表面单元的中心频点与矩形介质基板的边长成正比，与相对介电常数的函数成反比，可以表述为f0＝kL/g(εr)其中，f0为超表面单元的工作频点，L为其矩形介质基板的边长，g(εr)为矩形介质基板的相对介电常数的函数，由其唯一确定，k为比例系数。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定天线的等效相位中心，包括：利用远场格林函数得到磁矢势的表达式，并对该方程在整个求解空间进行积分，得到远场电场的表达式利用仿真计算的方法解出r0，从而确定天线的等效相位中心坐标。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定各个超表面单元的贴片几何参数，包括：根据费马原理可以计算出天线发射的电磁波在不同超表面单元处的光程差，其相位差可以进一步表示为其中A为天线等效相位中心的绝对坐标，B和C分别为不同超表面单元的几何中心，λ为电磁波的波长，根据超表面阵列的单元数N×M构建N×M维目标矩阵A、误差矩阵B和补充矩阵S，其中目标矩阵中的元素aij表示设计的出射波相位目标值，误差矩阵中的元素bij表示天线的发射电磁波非平面波这一特性所引入的误差值，补充矩阵中的元素sij表示各个位置超表面单元对于电磁波相位的补充值，上述三者之间的关系应满足aij＝bij+sij根据上述原理，对各个超表面的贴片几何参数由补充矩阵中的相位元素一一确定，在这一过程中，为了简便计算，可以将具有相同光程差的超表面单元分为同一组，选取相同的贴片几何参数。2CN113991304A说明书1/6页一种基于超表面阵列的天线波束赋形方法技术领域[0001]本申请涉及电子信息领域，尤其涉及一种基于超表面阵列的天线波束赋形方法。背景技术[0002]电磁超材料是指将亚波长单元按照周期性或者非周期性的方式排布而形成的人工结构。通过对于超表面单元和排布方式的设计，可以实现负介电常数和负折射率等自然界中材料和传统技术无法实现的超常媒质参数。[0003]目前穿墙雷达相控阵天线存在两个亟待的解决问题：其一，相控阵天线尺寸固定的情况下，天线单元的孔径大小有限这一特性限制了其增益，从而限制了穿墙雷达系统的探测距离，亟待寻求一种波前调控手段以及阵列小型化的技术，设计出一种相对紧凑并且满足高增益要求的相控阵天线；其二，相控阵天线中天线单元的波束方向一般来说是相对固定的，这一特点致使其波束扫描角越大，增益越低，从而导致穿墙雷达切向分辨率不高，亟待提出一种对天线单元波束调控技术，解决宽角度与高增益之间的矛盾。发明内容[0004]有鉴于此，本