一种扫频与数字编码控相的随机辐射天线阵列的设计方法技术

本发明专利技术涉及微波凝视关联成像领域，公开了一种扫频与数字编码控相的随机辐射天线阵列的设计方法。该随机辐射天线阵列由若干贴片天线单元组成，每个贴片天线单元刻蚀了不同长度的矩形缝隙，在工作频带的每个扫频点，每个贴片天线单元的辐射信号的幅度和方向图均具有差异性，同时利用FPGA产生的数字编码，控制每个贴片天线单元上两个PIN二极管的开启和断开，实现随机辐射天线阵列在整个工作频带上的辐射波束的180

【技术实现步骤摘要】
一种扫频与数字编码控相的随机辐射天线阵列的设计方法


[0001]本专利技术涉及微波凝视关联成像领域，具体涉及一种扫频与数字编码控相的随机辐射天线阵列的设计方法。

技术介绍

[0002]在微波凝视关联成像系统中，微波随机辐射源是其中一个重要的组成部分。其作用是产生大量相互正交的随机辐射场，以获得足够的场景散射回波数据，通过利用关联成像算法对回波数据进行处理可以求解物体的散射系数，从而得到成像目标的散射系数图像。
[0003]目前较为常见的微波随机辐射源包括动态超材料天线和数字编码超表面。其中，动态超材料天线通过频率扫描来产生随机辐射场，其单元辐射波束的相位是固定不变的。尽管动态超材料天线具有成本低廉、易于制造等优点，但其随机辐射场的相关性较高，且随机辐射场的数量受限于工作带宽和品质因素Q，使其难以应用于高分辨率成像等应用场景。
[0004]数字编码超表面则是一种反射式相控阵，控制超表面上二极管的开启与断开来改变单元辐射波束的相位，从而产生随机辐射场，具有高度可编程性和可重构性。然而，它存在制造复杂、成本较高的缺陷，且其有效带宽较小，通常工作于单频点，完全依靠编码控相来产生随机辐射场，并且泄漏波问题较为严重。

技术实现思路

[0005]为解决上述问题，本专利技术提供扫频与数字编码控相的随机辐射天线阵列的设计方法。
[0006]所述扫频与数字编码控相的随机辐射天线阵列的设计方法包括：随机辐射天线阵列由M
×
N个贴片天线单元在二维平面上随机排布构成，M、N分别表示随机辐射天线阵列的纵向和横向的单元数目，每个贴片天线单元刻蚀了不同长度d的矩形缝隙（306），并加载两个PIN二极管；根据随机辐射天线阵列的品质因素Q，在工作频带内设置P个扫频点，在随机辐射天线阵列的工作频带内的任意两个扫频点和，，，(m,n)位置的贴片天线单元的辐射信号的幅度和方向图均具有差异性，，，(m,n)表示横坐标为m，纵坐标为n；随机辐射天线阵列还包括FPGA，通过FPGA为每个扫频点产生数字编码序列，每个扫频点的编码周期总数为I，通过FPGA产生数字编码序列控制两个PIN二极管的开启和断开，使随机辐射天线阵列在整个工作频带上实现辐射波束的180
°
相差；随机辐射天线阵列通过扫频与数字编码控相，能够在成像目标所在的二维平面区域形成随机辐射场。
[0007]进一步的，贴片天线单元从上往下共分为七层：第一层为辐射层，辐射层包括第一矩形辐射贴片（301）、第二矩形辐射贴片（303）
和中心馈电贴片（302），连接在第一矩形辐射贴片（301）和中心馈电贴片（302）之间的第一PIN二极管（304），以及连接在中心馈电贴片（302）和第二矩形辐射贴片（303）之间的第二PIN二极管（305），在第一矩形辐射贴片（301）和第二矩形辐射贴片（303）上分别刻蚀长度d相同的矩形缝隙（306）；第二层为上层介质基板；第三层为直流偏置层，其直流偏置线与中心金属馈电过孔连接，同时加载对称的两个扇形枝节（307）；第四层为半固化粘结片；第五层为金属地板；第六层为下层介质基板；第七层为串并联不等分馈电网络，其馈电线上加载一个隔直电容；第一矩形辐射贴片（301）、第二矩形辐射贴片（303）通过金属化过孔与第五层金属地板连接。
[0008]进一步的，所述M
×
N个贴片天线单元共分为K种贴片天线单元，每种贴片天线单元的矩形缝隙（306）的长度d表示为：d=[d1,
…
,d
k
,
…
,d
K
]，k=1,2
…
,K，d
k
代表第k种贴片天线单元的矩形缝隙（306）的长度。
[0009]进一步的，所述随机辐射天线阵列由M
×
N个贴片天线单元在二维平面上随机排布构成，具体指，将K种贴片天线单元在二维平面上随机排布为M
×
N的随机辐射天线阵列，k(m,n)表示在(m,n)位置处贴片天线单元的类型，令k(m,n)=，在整个随机辐射天线阵列中，r是一个均匀分布在(0,1]区间内的随机实数，表示向上取整运算。
[0010]进一步的，所述在随机辐射天线阵列的工作频带内的任意两个扫频点和，，，(m,n)位置的贴片天线单元的辐射信号的幅度和方向图均具有差异性，具体包括：定义是以随机辐射天线阵列的中心为原点，(m,n)位置贴片天线单元的相位中心位置矢量；将成像目标所在的二维平面区域划分为S个离散网格，每个离散网格的任意边长不超过随机辐射天线阵列的中心的工作频率波长的一半，表示第s个离散网格的位置矢量，，相对于的空间方向单位矢量为：；在工作频带内的任意两个扫频点和，(m,n)位置的贴片天线单元辐射信号的幅度和方向图均不同：；
其中，代表(m,n)位置的第k种贴片天线单元的矩形缝隙（306）的长度，分别是(m,n)位置的第k种贴片天线单元在扫频点辐射信号的幅度和方向图，、分别是(m,n)位置的第k种贴片天线单元在扫频点辐射信号的幅度和方向图，代表(m,n)位置的的第k种贴片天线单元在扫频点和的辐射信号的方向图差异。
[0011]进一步的，所述通过FPGA产生数字编码序列控制两个PIN二极管的开启和断开，使随机辐射天线阵列在整个工作频带上实现辐射波束的180
°
相差，具体包括：FPGA通过数字编码给每个贴片天线单元施加不同的偏置电压，控制贴片天线单元的PIN二极管的开启与断开；基于所有扫频点对应的所有数字编码构建相位编码矩阵H：；其中，相位编码矩阵H中的每一列表示某一频点的一个编码周期的相位编码，表示在频点(m,n)位置的贴片天线单元第i个编码周期的相位编码，代表第个扫频点，，相位编码矩阵H满足任意两列正交，即：；表示内积操作，H(h
x
)和H(h
y
)分别表示相位编码矩阵H的第x列和第y列；设随机辐射天线阵列在频点(m,n)位置的贴片天线单元的编码为，，初始相位为，则(m,n)位置处贴片天线单元辐射波束的相位表示为：；其中，code表示相应贴片天线单元相位编码的码值。
[0012]进一步的，所述随机辐射天线阵列通过扫频与数字编码控相，能够在成像目标所在的二维平面区域形成随机辐射场，具体包括：在频点，代表第个扫频点，，第i个编码周期，(m,n)位置处贴片天线单元辐射的信号表示为：；其中，j表示复数符号，t为采样时刻；，分别表示在频点第i个编码周期中，(m,n)位置的第k种贴片天线单元的辐射波束的幅度和相位；
在频点，第i个编码周期，由M
×
N个贴片天线单元在成像目标所在的二维平面区域内第s个离散网格的位置矢量处叠加形成的随机辐射场分布为：；其中，表示(m,n)位置的第k种贴片天线单元在频点的方向图，c为光速；是以随机辐射天线阵列的中心为原点，(m,n)位置贴片天线单元的相位中心位置矢量。
[0013]本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：1.本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种扫频与数字编码控相的随机辐射天线阵列的设计方法，其特征在于：随机辐射天线阵列由M
×
N个贴片天线单元在二维平面上随机排布构成，M、N分别表示随机辐射天线阵列的纵向和横向的单元数目，每个贴片天线单元刻蚀了不同长度d的矩形缝隙（306），并加载两个PIN二极管；根据随机辐射天线阵列的品质因素Q，在工作频带内设置P个扫频点，在随机辐射天线阵列的工作频带内的任意两个扫频点和，，，(m,n)位置的贴片天线单元的辐射信号的幅度和方向图均具有差异性，，，(m,n)表示横坐标为m，纵坐标为n；随机辐射天线阵列还包括FPGA，通过FPGA为每个扫频点产生数字编码序列，每个扫频点的编码周期总数为I，通过FPGA产生数字编码序列控制两个PIN二极管的开启和断开，使随机辐射天线阵列在整个工作频带上实现辐射波束的180
°
相差；随机辐射天线阵列通过扫频与数字编码控相，能够在成像目标所在的二维平面区域形成随机辐射场。2.如权利要求1所述扫频与数字编码控相的随机辐射天线阵列的设计方法，其特征在于，贴片天线单元从上往下共分为七层：第一层为辐射层，辐射层包括第一矩形辐射贴片（301）、第二矩形辐射贴片（303）和中心馈电贴片（302），连接在第一矩形辐射贴片（301）和中心馈电贴片（302）之间的第一PIN二极管（304），以及连接在中心馈电贴片（302）和第二矩形辐射贴片（303）之间的第二PIN二极管（305），在第一矩形辐射贴片（301）和第二矩形辐射贴片（303）上分别刻蚀长度d相同的矩形缝隙（306）；第二层为上层介质基板；第三层为直流偏置层，其直流偏置线与中心金属馈电过孔连接，同时加载对称的两个扇形枝节（307）；第四层为半固化粘结片；第五层为金属地板；第六层为下层介质基板；第七层为串并联不等分馈电网络，其馈电线上加载一个隔直电容；第一矩形辐射贴片（301）、第二矩形辐射贴片（303）通过金属化过孔与第五层金属地板连接。3.如权利要求1所述扫频与数字编码控相的随机辐射天线阵列的设计方法，其特征在于，所述M
×
N个贴片天线单元共分为K种贴片天线单元，每种贴片天线单元的矩形缝隙（306）的长度d表示为：d=[d1,
…
,d
k
,
…
,d
K
]，k=1,2
…
,K，d
k
代表第k种贴片天线单元的矩形缝隙（306）的长度。4.如权利要求3所述扫频与数字编码控相的随机辐射天线阵列的设计方法，其特征在于，所述随机辐射天线阵列由M
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N个贴片天线单元在二维平面上随机排布构成，具体指，将K种贴片天线单元在二维平面上随机排布为M
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N的随机辐射天线阵列，k(m,n)表示在(m,n)位置处贴片天线单元的类型，令k(m,n)=，在整个随机辐射天线阵列中，r是一个均匀分布在...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭圆月，张士路，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：