一种三维弯曲准无衍射波束的生成和控制方法及天线阵列技术

本发明专利技术提供一种三维弯曲准无衍射波束的生成和控制方法及天线阵列。本发明专利技术主要分为艾里函数控制波束弯曲和多点聚束实现准无衍射波束两个部分。在艾里函数控制波束弯曲部分，通过调整艾里函数中的曲率因子对波束的曲率进行调控，并通过对艾里函数进行离散采样，提取出所需的激励矩阵；在多点聚束实现准无衍射波束部分，通过将天线口径面划分为多个区域，每个区域设置不同的聚焦点，进而实现准无衍射波束及其激励矩阵。最后通过哈达玛积运算实现三维弯曲准无衍射波束的生成和控制并选择合适的天线实现该三维弯曲准无衍射波束。相比于传统准无衍射波束，本发明专利技术在防遮挡、保证能量和信号完整性上具有明显优势。和信号完整性上具有明显优势。和信号完整性上具有明显优势。

【技术实现步骤摘要】
一种三维弯曲准无衍射波束的生成和控制方法及天线阵列


[0001]本专利技术属于无线通信领域，具体涉及一种三维弯曲准无衍射波束的生成和控制方法及天线阵列。

技术介绍

[0002]准无衍射波束具有高增益、小焦斑，免对焦等独特优势，在无线输能、太赫兹空间波导、近场探测、微波加热医疗、近场保密通信等领域有着十分重要的应用。
[0003]现在常见的二维准无衍射波束主要是贝塞尔波束，其具有良好的无衍射特性。但是贝塞尔波束的传播路径是直线，容易受到障碍物的遮挡，造成能量和信号的丢失。而三维弯曲准无衍射波束能够绕过障碍物，保证能量和信号的完整性。因此，三维弯曲准无衍射波束的生成和控制非常重要。
[0004]三维弯曲准无衍射波束首先应用于光学领域，经过多年的发展，其逐渐发展到微波毫米波领域。如今，三维弯曲准无衍射波束主要是通过二维艾里函数综合方法实现的。这种综合方法中有两个相互独立的弯曲因子，通过调控这两个弯曲因子，能够在两个方向上对波束的弯曲情况进行调整。这种综合方法具有很大的灵活性，但是在目标方向确定的场景下，这种综合方法也会带来可以避免的复杂度的提升。这种复杂度的提升体现在，在目标方向确定的情况下，我们只需要产生一个方向的弯曲波束。但是，现有的综合方法产生了两个方向的弯曲波束，再合成了一个方向的弯曲波束。很明显，这是用复杂的方法解决了一个简单的问题。另一方面，正是这种复杂度的提升，使得现有综合方法的幅度振荡更加剧烈，相位翻转更加迅速，从而导致赋形困难，实现难度大。因此在毫米波及以上的领域，多是利用空间复杂度高的类透镜系统或者是高剖面的多层超表面天线，将其转换到频域进行处理，或者是通过增高剖面来实现剧烈变化的幅度和相位。而这些方法都难以满足实际运用中低剖面、易集成的需求。
[0005]为解决上述问题，本专利技术提出了一种新的三维弯曲准无衍射波束的综合方法，并基于这种综合方法在毫米波频段设计了低剖面、易集成的阵列天线。该方法将多点聚束准无衍射波束综合方法与艾里函数综合方法结合起来，直接在所需方向产生弯曲的波束，避免了复杂度的提升。相比于传统方法，该方法的幅度振荡和相位翻转都更加平缓，实现难度明显降低。基于这个方法，本专利技术提出了两种运用于毫米波频段的阵列天线。一种是波导缝隙阵列天线，另一种是贴片天线阵列。波导缝隙阵列天线通过调整缝隙的几何尺寸和空间位置来实现对幅度和相位的调控，贴片天线阵列通过添加馈网实现对幅度和相位的调控。这两种方案均能在毫米波频段产生三维弯曲准无衍射波束。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种三维弯曲准无衍射波束的生成和控制方法。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0008]一种三维弯曲准无衍射波束的生成和控制方法，包括两个主要部分：艾里函数控制波束弯曲和多点聚束实现准无衍射波束。
[0009]进一步地，在艾里函数的离散采样部分，对艾里函数Ai(AX)exp(BX)进行离散采样生成一个1
×
N的行向量A
vector
，再进一步计算得到A
array
：
[0010]A
array
＝E
M
gA
vector
[0011]其中，E
M
表示M
×
1的单位列向量，
·
表示向量内积运算。
[0012]进一步地，在多点聚束实现准无衍射波束部分，通过将天线口径面分割为M个区域，各区域聚焦在不用位置实现准无衍射波束，并通过计算得到B
vector
和B
array
：
[0013][0014]B
array
＝B
vector
gE
N
[0015]其中，k表示电磁波的波数，Y是天线阵列中各单元的纵坐标所组成的M
×
1行向量，F是由M个区域的聚焦点所组成的M
×
1行向量，E
N
表示1
×
N的单位行向量，
·
表示向量内积运算。
[0016]进一步地，天线阵列的激励系数矩阵W
array
的计算方式为：
[0017]W
array
＝A
array
e B
array
[0018]其中，
⊙
表示哈达玛积运算。
[0019]进一步地，通过对艾里函数Ai(AX)exp(BX)中的曲率因子A进行调整，可以对三维弯曲准无衍射波数的弯曲程度进行控制。
[0020]本专利技术提供的一种三维弯曲准无衍射波束的生成和控制方法，与现有技术相比，至少具备有以下有益效果：
[0021](1)在现有二维准无衍射波束的基础上，引入曲率，实现了三维弯曲准无衍射波束，在躲避障碍物、保证能量和信号完整性上具有明显优势；
[0022](2)通过调整艾里函数中的曲率因子，可以控制该三维弯曲准无衍射波束的弯曲程度，根据实际运用调整波束的曲率。
附图说明
[0023]图1是本专利技术一种三维弯曲准无衍射波束的生成和控制方法的流程图；
[0024]图2是本专利技术中艾里函数对波束曲率的调控示意图；
[0025]图3是本专利技术实施例一中艾里函数的离散采样图；
[0026]图4是本专利技术实施例一中所产生的三维弯曲准无衍射波束的理论性能；
[0027]图5是本专利技术实施例一中波导缝隙天线阵列的整体模型图；
[0028]图6是本专利技术实施例一中波导缝隙天线阵列的拆分结构图；
[0029]图7是本专利技术实施例一中波导缝隙天线阵列的上层辐射部分的俯视图；
[0030]图8是本专利技术实施例一中波导缝隙天线阵列的下层馈电部分的俯视图；
[0031]图9是本专利技术实施例一中波导缝隙天线阵列的下层馈电部分的仰视图；
[0032]图10是本专利技术实施例一中波导缝隙天线阵列仿真产生的三维弯曲准无衍射波束；
[0033]图11是本专利技术实施例二中艾里函数的离散采样图；
[0034]图12是本专利技术实施例二中贴片天线阵列的整体模型图；
[0035]图13是本专利技术实施例二中贴片天线阵列部分的结构图；
[0036]图14是本专利技术实施例二中功分网络部分的结构图；
[0037]图15是本专利技术实施例二中一分五十功分器的示意图；
[0038]图16是本专利技术实施例二中移相网络部分的示意图；
[0039]其中，1为实施例一中的上层辐射部分，2为实施例一中的下层馈电部分，3为实施例二中的贴片天线阵列部分，4为实施例二中的功分网络部分，5为实施例二中的移相网络部分，11为实施例一中的上层辐射部分中的辐射缝隙，21为实施例一中的下层馈电部分的长波导，22为实施例一中的移相器到长波导的过渡结构，23为实施例一中的等宽度不等长度移相器，24为实施例一中的一分十六等功本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维弯曲准无衍射波束的生成和控制方法，其特征在于，包括两个主要部分：艾里函数控制波束弯曲和多点聚束实现准无衍射波束；在艾里函数控制波束弯曲部分，对艾里函数Ai(AX)exp(BX)进行离散采样生成一个1
×
N的行向量A
vector
，再进一步计算得到A
array
：A
array
＝E
M
gA
vector
其中，E
M
表示M
×
1的单位列向量，
·
表示向量内积运算；在多点聚束实现准无衍射波束部分，通过将天线口径面分割为M个区域，各区域聚焦在不用位置实现准无衍射波束，并通过计算得到矩阵B
vector
和矩阵B
array
：B
array
＝B
vector
gE
N
其中，k表示电磁波的波数，Y是天线阵列中各单元的纵坐标所组成的M
×
1行向量，F是由M个区域的聚焦点所组成的M
×
1行向量，E
N
表示1
×
N的单位行向量，
·
表示向量内积运算。2.根据权利要求1所述的一种三维弯曲准无衍射波束的生成和控制方法，其特征在于，天线阵列的激励系数矩阵W
array
的计算方式为：W
array
＝A
array
eB
array
其中，
⊙
表...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴亚飞，游青，牛嘉，王洪斌，苏一洪，何宗锐，杨海宁，李廷军，赵明华，董元旦，林先其，樊勇，程钰间，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：