一种基于无衍射聚焦理论的反射阵列天线设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于无衍射聚焦理论的反射阵列天线设计方法，属于电磁领域。首先针对反射型阵列天线，设计各贴片单元半径与相位之间的对应关系。然后根据Bessel波束聚焦原理，将阵列天线等效为一个倒置的棱锥透镜，表面形成阵列相位分布矩阵

A design method of reflective array antenna based on non diffractive focusing theory

【技术实现步骤摘要】
一种基于无衍射聚焦理论的反射阵列天线设计方法
本专利技术属于电磁领域，涉及微波射频技术，具体是一种基于无衍射聚焦理论的反射阵列天线设计方法。
技术介绍
无线电能传输作为传统有线输电网络的重要辅助和补充，可在有线方式受限的特殊场景中发挥重要作用，如军事和能源领域，在高空无人机和高空作业平台需要持续供电，海岛和峡谷等特殊地理条件下的供电需求，以及灾后和断电区域紧急供电等尤为重要。现有的无线传输技术主要分为电磁感应式、磁耦合谐振式和微波式，前两者受理论限制均属于近场能量传输，传输距离较小(小至几厘米，多至几米)，在较远距离下传输时效率急剧降低，无法满足较长距离电能传输的应用需求；而采用微波作为能量传递介质，传输距离较远，功率和效率也得到一定的保障，因此具有明显的优势。目前国际上最先进的微波无线电能传输系统普遍存在尺寸巨大和效率低下的问题，兼备高效率、远距离和大功率的微波式无线电能传输系统未见报道，在传输距离、功率以及效率等方面仍然存在难以克服的理论以及技术瓶颈。目前最前沿的微波无线电能传输理论是：2017年美国Smith团队提出的利用超表面天线实现近场菲涅尔区无线电能传输方案，但至今并未有实验报道。此外，该方案的关键在于产生一种近似高斯波束，其聚焦范围受高斯波束的瑞利距离限制，通常是点聚焦，应用距离十分有限，离远距离聚焦的需求仍存在一定的差距。
技术实现思路
本专利技术针对目前微波无线电能传输系统普遍存在尺寸巨大和效率低下的问题，提出了一种基于无衍射聚焦理论的反射阵列天线设计方法，包括以下步骤：步骤一、针对包括底层金属层，介质层和贴片层的反射型阵列天线，设计贴片层上各贴片单元的大小；每个贴片单元均包括外部圆环和内部方形两部分；内部方形的边长a与外部圆环的内环半径r成比例，通过改变内环半径r能改变整个贴片单元的大小；内环半径r越大，贴片单元越大，所提供的相位越小，反之，内环半径r越小，贴片单元越小，所提供的相位越大。步骤二、保持各贴片单元周期不变，为满足单元结构提供2π的相位覆盖范围，设计各贴片单元的半径与该单元提供的相位之间的对应关系；针对每个贴片单元，半径与相位之间的计算公式如下：为各贴片单元提供的相位值；步骤三、根据无衍射理论中的Bessel波束聚焦原理，将阵列天线等效为一个倒置的棱锥透镜，其表面形成无衍射聚焦波束所需的阵列相位分布矩阵相位分布矩阵满足下式：k0为波数；阵列天线表面等效为二维平面xoy，(x,y)为各贴片单元中心在二维平面xoy面的坐标，β为阵列天线等效的棱锥透镜的底角。步骤四、将阵列相位分布矩阵中的每个相位分别代入各贴片单元的半径与相位的对应关系中，形成无衍射聚焦波束；步骤五、根据广义菲涅尔反射公式推导的波束偏转公式，将任意无衍射聚焦波束进行任意角度的偏转。无衍射聚焦任意波束角度偏转后得到的相位分布矩阵满足下式：θ1为波束在xoz面的偏离z轴正向的角度；θ2为波束在yoz面的偏离z轴正向的角度；步骤六、将无衍射波束聚焦所需的阵列相位分布矩阵与任意波束偏转所需的阵列相位分布矩阵叠加，构成无衍射波束偏转聚焦所需阵列相位分布矩阵步骤七、将无衍射波束偏转聚焦的阵列相位分布矩阵中的每个相位分别代入半径与相位的对应关系中进行计算，构成该贴片单元的最终相位，进而得到各相位对应的贴片单元的半径，最终得到无衍射偏转聚焦阵列天线的单元结构分布，即最终目标阵列天线。总的相位分布矩阵满足：将总的相位分布矩阵中的各相位分别代入贴片单元的半径与相位的对应关系中，设计不同坐标处的单元，最终获得偏转无衍射聚焦波束的目标阵列。本专利技术的优点在于：1)、一种基于无衍射聚焦理论的反射阵列天线设计方法，应用尺寸控制单元反射相位：单元整体结构保持不变，只需通过调节单元缩放比例，即可调节反射相位，因此整体设计比较简单；2)、一种基于无衍射聚焦理论的反射阵列天线设计方法，应用无衍射理论实现波束聚焦：在阵列大小一定的情况下，通过控制棱锥透镜的底角β值，可有效调控聚焦范围，并且远远超出点聚焦，达到无线电能传输所需的远距离要求；3)、一种基于无衍射聚焦理论的反射阵列天线设计方法，应用广义反射定律控制波束偏转：在波束成功聚焦后，通过增加控制波束方向的相位分布，能使波束偏向任意方向，满足实际中复杂的能量传送需求。附图说明图1为本专利技术一种基于无衍射聚焦理论的反射阵列天线设计方法的步骤流程图；图2为本专利技术反射阵列天线中的每个阵列单元结构图；图3为本专利技术贴片单元的反射相位和幅度随贴片单元的半径r的变换图；图4为本专利技术将阵列天线等效为倒置的棱锥透镜得到无衍射波束的聚焦示意图；图5为本专利技术Z轴无衍射聚焦的天线阵列各贴片单元的结构图；(β＝30°,θ1＝0°,θ2＝0°)图6为本专利技术Z轴无衍射聚焦图；图7为本专利技术偏轴无衍射聚焦的天线阵列各贴片单元的结构图；(β＝30°,θ1＝10°,θ2＝10°)图8为本专利技术偏轴无衍射聚焦图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细描述。本专利技术采用了无衍射波束中Bessel波束聚焦理论，通过天线单元缩放尺寸与反射相位的对应关系，调节各个位置处的天线单元缩放尺寸，获得实际所需的形成无衍射波束的相位分布，达到了无衍射透射聚焦的效果，并且根据广义反射定律，可进一步对无衍射波束进行任意角度偏转，具有阵列小、聚焦范围广、波束方向控制灵活以及制造简单等优势，对微波无线电能传输进一步推广应用具有重要意义。本专利技术基于ANSYSElectronics仿真软件、HFSS仿真软件或者Matlab软件实施，具体步骤如图1所示，包括以下：步骤一、针对包括底层金属层，介质层和贴片层的反射型阵列天线，设计贴片层上各贴片单元的大小；通过HFSS调节单元，每个贴片单元均包括外部圆环和内部方形两部分；内部方形的边长a与外部圆环的内环半径r成比例，通过改变内环半径r能改变整个贴片单元的大小；内环半径r越大，贴片单元越大，所提供的相位越小，反之，内环半径r越小，贴片单元越小，所提供的相位越大。步骤二、保持各贴片单元周期不变，为满足单元结构提供2π的相位覆盖范围，设计各贴片单元的半径与该单元提供的相位之间的对应关系；通过调节各贴片的缩放比例，得到不同贴片单元半径与所提供相位的对应关系，计算公式如下：为各贴片单元提供的相位值；步骤三、根据无衍射聚焦理论中的Bessel波束聚焦原理，将天线阵列等效为一个倒置的棱锥透镜，其表面形成无衍射聚焦波束所需的阵列相位分布矩阵相位分布矩阵满足下式：k0为波数，阵列天线表面等效为二维平面xoy，(x,y)为各贴片单元中心在二维平面xoy面的坐标，β为阵列天线等效的棱锥透镜的底角。步骤四、将阵列相位分布矩本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于无衍射聚焦理论的反射阵列天线设计方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤一、针对包括底层金属层，介质层和贴片层的反射型阵列天线，设计贴片层上各贴片单元的大小；/n步骤二、保持各贴片单元周期不变，为满足单元结构提供2π的相位覆盖范围，设计各贴片单元的半径与该单元提供的相位之间的对应关系；/n针对每个贴片单元，半径与相位之间的计算公式如下：/n

【技术特征摘要】
1.一种基于无衍射聚焦理论的反射阵列天线设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、针对包括底层金属层，介质层和贴片层的反射型阵列天线，设计贴片层上各贴片单元的大小；
步骤二、保持各贴片单元周期不变，为满足单元结构提供2π的相位覆盖范围，设计各贴片单元的半径与该单元提供的相位之间的对应关系；
针对每个贴片单元，半径与相位之间的计算公式如下：




为各贴片单元提供的相位值；
步骤三、根据无衍射理论中的Bessel波束聚焦原理，将阵列天线等效为一个倒置的棱锥透镜，其表面形成无衍射聚焦波束所需的阵列相位分布矩阵
相位分布矩阵满足下式：
k0为波数；阵列天线表面等效为二维平面xoy，(x,y)为各贴片单元中心在二维平面xoy面的坐标，β为阵列天线等效的棱锥透镜的底角；
步骤四、将阵列相位分布矩阵中的每个相位分别代入各贴片单元的半径与相位的对应关系中，形成无衍射聚焦波束；
步骤五、根据广义菲涅尔反射公式推导的波束偏转公式，将任意波束进行任意角度的偏转；
任意波束角度偏转后得到的相...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓力，曾婷，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京;11