一种频率控制的波束/焦点扫描平面反射阵/反射镜制造技术

本发明专利技术公开了一种频率控制的波束/焦点扫描平面反射阵/反射镜。两者的基本结构包括印刷贴片阵列、初级馈源以及相应的支撑结构。平面反射阵为球面波照射，在远场实现波束的聚焦，可用于现代无线通讯系统及雷达系统中；反射镜通过平面波、柱面波或球面波对其照射，可在近场实现波束聚焦，可用于成像系统中。两者都通过选择每个单元合适的尺寸自由度参数组合，使各个频点上实际得到的相位值满足理论要求值，进而使得阵列在不同的频点上实现在不同方向上的同相叠加，以此达到波束或焦点扫描的功能。本发明专利技术的优势在于通过简单的阵面结构实现了电波束/焦点扫描和高增益，大大降低了目前扫描阵/成像系统的成本、损耗和复杂度。

【技术实现步骤摘要】
一种频率控制的波束/焦点扫描平面反射阵/反射镜
本专利技术属于无线通信技术、雷达技术、成像
，具体涉及一种可有效降低波束扫描阵列/成像系统成本和复杂度的电扫描平面反射阵列天线及反射镜，适用于通信，雷达或成像系统中。
技术介绍
随着当代通信技术的飞速发展，具有聚焦波束的天线扮演着越来越重要的角色。传统的聚焦波束天线主要有抛物面反射器和阵列天线两种，对于抛物面天线，其机身笨重，体积庞大，而且特殊的曲面难于制造，在更高频段上，由于电磁波波长更短，对加工精度的要求更高，使得加工难度更为明显。另外，它也难于实现宽角度的电波束扫描，只能采用笨拙的机械扫描方式，使得反应速度过慢，而难以追踪高速目标。相控阵天线则利用对各个阵元激励幅度和相位的独立控制，能够快速灵活的进行电波束扫描，并且具有多目标搜寻、高速率跟踪的独特优势。但对于大型阵列，必然包含大量的收发组件和复杂的馈电网络，显然，越多的阵元就意味着越高昂的成本和越大的损耗及重量，使得对成本尤其看重的民用领域望而止步，一般在对性能要求很高的军事领域才会使用相控阵。为了克服上述天线所固有的缺点，平面反射阵列天线应运而生，主要由初级馈源以及加载大量周期谐振单元的平面反射阵面组成。通过改变每个单元的尺寸，弥补由于初级馈源照射到阵面上波程差不同而引入的相位差，从而在预期出射方向上实现波束聚焦。平面反射阵列因其拥有的诸多优点而被广泛地发展和研究:平面结构易于加工和集成；只需一个收发组件即可对整个阵列进行馈电或接收，大大降低成本。因此平面反射阵列天线正逐渐取代传统高增益天线成为当前的研究热点问题，尤其在如何实现波束扫描这一方向上，国际上几个著名科研机构均投入了大量资源进行研究。为了实现平面反射阵列的波束扫描，国内外众多专家学者进行了广泛而深入的研究。在二十世纪七十年代中期，Phelan提出一种“螺旋相位”反射阵列的概念，在圆极化反射阵的四臂螺旋或者十字偶极子单元中引入开关二极管来电扫描其主波束到很大的角度，将圆极化辐射单元旋转不同角度，它传播的电相位也随着旋转角度成比例地改变。通过开关二极管来激发不同的螺旋臂，从而能调整相位使在远场得到同相叠加的波束。然而，由于厚的螺旋腔(四分之一波长厚)和庞大的电子元件(二极管偏置电路)，螺旋相位反射阵依然庞大厚重。另外，因为螺旋天线固有的大尺寸和空间的特性，它的孔径效率仍然特别低。特别是在它工作频率的高频段，单元间距会远大于半个自由空间工作波长，导致的栅瓣极大地降低了天线效率。因此这种反射阵列天线形式在接下来的十年里也没有进一步研究。1978年Malagisi首先提出了微带反射阵的概念，使得平面反射阵列的重量和加工复杂度大大降低，从此平面反射阵列进入高速发展时期。1995年，J.Huang等人提出采用微机电结构(MEMS)来调节辐射贴片的旋转角度以实现波束扫描，由于控制部件的复杂性较高，该方法尚且处于研究阶段，要投入实用还有一段距离。另一方面，该方法属于机械控制范畴，波束扫描的响应速度较慢，不太适宜追踪高速运动目标。2006年，M.R.Chaharmir等人提出一种光控电扫描反射阵列，通过控制每个单元后面对应光源的强度来调节半导体中的载流子浓度，间接改变了单元的反射相位。以上两种方法都对控制部件的加工要求较高，且采用的介质材料昂贵，不适宜大规模推广。随着半导体技术的发展，高性能变容二极管也被用于调节平面反射阵列辐射单元的相位，使得阵列单元更加简单而且易于控制。2010年，LBoccia等提出矩形贴片单元加载可变电容的方法实现波束扫描，并对单元的相位特性和损耗进行了比较系统的分析。研究表明，采用矩形贴片加载单个可变电容的方法所实现的相位延迟范围约为330度左右，而理论上要实现波束扫描的相位延迟范围为360度，因此引入的相位误差会导致阵列增益下降和波束指向偏离。同时，由于变容二极管内阻所产生的损耗大约在3dB左右，也大大降低了阵列的增益。同年，ChangLiu等人提出了开口双矩形环加载多个可变电容的方法，使得单元相位延迟范围达到500度左右，并具有较平滑的相位-电压特性，但单元中可变电容产生的损耗依然很大，其工作频段也只能限制在低频段。在2010年，S.R.Rengarajan提出了一种通过改变初级馈源的位置来实现不同方向的波束扫描，但每次的波束扫描都要移动馈源的位置，这种机械扫描方式会导致稳定性下降且维护成本升高，且难以追踪高速目标。综上所述，波束扫描反射阵天线并未得到有效的发展，原因主要有波束扫描理论和设计思想的缺失，阵列单元与半导体器件或有源电路结合设计过程相对复杂，仿真难度加大，大规模的集成外部控制电路的布置与分析都给实际加工生产提出了严峻挑战。
技术实现思路
本专利技术鉴于上述技术背景，为了解决目前扫描阵成本、损耗和设计复杂度问题，提出了一种基于频率控制的电扫描平面反射阵列天线和反射镜，通过改变频率，实现预期的波束/焦点扫描特性。该设计方法适用于无线通信系统、雷达系统及高分辨率成像系统中。本专利技术中反射阵列天线和反射镜工作原理相似，不同点在于反射阵列天线采用球面波对阵面进行馈电，通过阵面的相位补偿使波束在远场实现聚焦，可用于无线通讯系统中或雷达中；而反射镜一般是通过平面波作为馈源，通过阵列的相位补偿使电场在近场实现聚焦，可用于成像系统中。本专利技术适用于反射阵列及反射镜，为阐述简单起见，下面主要以反射阵列为例。本专利技术中的波束扫描反射阵结构简单:一个角锥喇叭作为初级馈源，对阵面进行馈电；大量无源周期谐振结构组成的阵面；用于支撑固定喇叭和反射阵面的支撑架结构。进行仿真时，为了尽量减少仿真内存，加快仿真速度、缩短仿真时间，只对阵面进行仿真，没有加入支撑结构。只要合理地设计支撑架的材料和结构，其对反射阵的影响可以忽略不计。阵面单元无需复杂的偏置电路及二极管器件，整体结构跟普通平面反射阵列一样，有效的避免了不必要的损耗，且整体的平面微带形式非常易于加工和生产。在一般的平面反射阵设计中，只在中心频点进行设计，而反射阵列天线口径具有色散特性，即在偏离中心频点的其他频率上，波束会发生不可预计的偏移，导致性能下降。本专利技术的最大创新在于，有意的在各个频点上进行波束设计，使其准确地指向预期的方向，便可以通过改变频率实现波束的电扫描。通过适当选择每个辐射单元的多个尺寸参数自由度，使得各个单元在整个设计频段内满足所需要的相位值，组阵之后在特定频率下辐射电场可以在预期方向上实现同相叠加，以此实现频率控制的波束扫描。本专利技术设计灵活，馈电形式可以采用正馈(馈电喇叭位于阵列的正中间)，也可采用偏馈形式(馈电喇叭位于一侧)。单元结构形式也不受限制，从结构上可以是圆形贴片，也可以是由多个矩形环构成的多谐振贴片；从形式上，可以是单层微带贴片，也可以是多层的口径耦合形式周期单元。不同的馈电位置及单元结构形式的选择，可以实现不同的扫描角范围，实际应用中，可以根据具体的性能要求和设计加工复杂度灵活设计。本专利技术因其采用空间馈电，无需馈电网络；再者，阵面中不用MEMS、二极管等易损耗器件，故不受工作频段的限制。可在短波、微波、毫米波甚至太赫兹波段都能保证很小的损耗。与现有电波束扫描技术相比，本专利技术的主要优势是:不管多大的阵列，只需一个接收组件，相比于相控阵天线大大降本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种频率控制的波束/焦点扫描平面反射阵/反射镜，主要包括馈电喇叭和背部为金属地板的印刷贴片阵列，其特征在于：平面反射阵/反射镜所采用的单元在特定的频段内，通过适当选择每个单元的多个尺寸参数，使得在频段内的相位延迟曲线满足所需相位延迟，从而使反射阵/反射镜在该频段内通过改变频率实现不同的波束/焦点指向。

【技术特征摘要】
1.一种频率控制的波束/焦点扫描平面反射阵/反射镜，主要包括馈电喇叭和背部为金属地板的印刷贴片阵列，其特征在于:平面反射阵/反射镜所采用的单元在特定的频段内，通过适当选择每个单元的多个尺寸参数，使得在频段内的相位延迟曲线满足所需相位延迟，从而使反射阵/反射镜在该频段内通过改变频率实现不同的波束/焦点指向。2.根据权利要求1所描述的一种频率控制的波束/焦点扫描平面反射阵/反射镜，其特征在于:平面反射阵天线可在远场实现波束聚焦并随频率扫描；反射镜可在近场实现聚焦并在焦平面上随频率扫描。3.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：屈世伟，吴伟伟，易欢，白雪，夏润梁，蒋琪，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51