一种基于相位分解的液晶阵列天线波束成型与自适应控制方法与流程

一种基于相位分解的液晶阵列天线波束成型与自适应控制方法
1.技术领域
2.本发明涉及通信及算法领域，具体为一种基于相位分解的液晶阵列天线波束成型与自适应控制方法。


背景技术：

3.传统相控阵天线采用衰减器加移相器的方式，实现对每一个天线单元的辐射场的幅度和相位进行控制。首先由每一个辐射单元形成二维或三位的阵列结构，然后根据波束指向要求确定每一个天线单元所对应的馈电权重复矢量，通过给每一个辐射单元连接一个衰减器和一个移相器，实现每一个阵元的馈电权重，进而实现阵列天线的数字波束成型与指向扫描。
4.包括液晶阵列天线在内的超材料阵列天线可以不通过衰减器和移相器实现阵列天线的数字波束成型和指向控制。这可以在很大程度上降低天线的制造成本。同时，由于不采用衰减器和移相器，使得包括液晶阵列天线在内的超材料阵列天线具有更低的剖面，更小的体积以及更轻的重量。从而，使其在卫星通讯、物联网及车联网应用、以及5g毫米波通信领域有着极大的应用前景。


技术实现要素：

5.在液晶阵列天线中，对于某一波束指向所对应的阵元的馈电权重复矢量，可以通过对每一个馈电权重复矢量进行相位分解，将其分解在两个或多个具有一定相位差的液晶单元上，并通过外加电场使每一个辐射单元中的液晶的偏转状态进行幅度，通过相位分解单元之间的光程差实现相位控制，从而实现馈电权重复矢量在液晶阵列上的编码。对于每一个指向的波束，在液晶阵列中重复一次对馈电权重复矢量的编码，进而实现对液晶阵列天线的指向控制。
6.基于以上背景，本发明通过外加电场与极化液晶偶极矩之间产生和的力矩，对液晶阵列天线中，每一个辐射单元中的液晶的偏转状态进行调控，从而实现对每一个辐射单元中，电磁场幅度的调控，通过相位分解单元之间的光程差实现对每一个液晶单元的相位控制，并在这种调控方法的基础上，给出了液晶阵列天线的数字波束成型和指自适应向控制的算法。
7.本发明的目的在于提供一种基于相位分解的液晶阵列天线波束成型与自适应控制方法，包括如下步骤：s1、给定所期望的阵列天线的辐射方向图函数；s2、通过对给定方向图函数进行逼近，确定每一阵元的馈电权重矢量；
s3、对每一个在阵列平面上进行相位分解，确定某一波束指向所对应的相位分解阵元分布；s4、通过天线的驱动系统实现相位分解阵元中液晶偏转状态的阵列分布进而实现所期望的阵列天线辐射方向图。
8.可选的，步骤s3中对应的两个相位分解单元中阵元辐射场eij在x轴和y轴上的分量的大小，通过调节相位分解阵元中的液晶的偏转程度来实现。
9.可选的，液晶的偏转程度调节包括如下内容，外加电场并控制其大小变化，极化液晶材料中液晶分子产生不同程度的偏转。
10.可选的，步骤s4包括如下内容，通过给每一个相位分解阵元加载电压驱动信号，实现相位分解阵元中液晶偏转状态的阵列分布，从而确定每一个所对应的幅度在两个分解单元上的数值；通过相位分解阵元上的辐射场在远场区的叠加，实现所期望的阵列天线辐射方向图。
11.可选的，步骤s4中，当阵列天线的波束指向发生变化时，通过天线的控制系统刷新这一阵列天线中相应的辐射单元上的控制电压，从而实现波束指向的切换，达到阵列天线方向图的再现。
12.与现有技术相比，本发明提供了一种基于相位分解的液晶阵列天线波束成型与自适应控制方法，具备以下有益效果：本发明对液晶阵列天线中每一个辐射单元中的液晶的偏转状态进行调控，从而实现对每一个辐射单元中电磁场幅度的调控，通过相位分解单元之间的光程差实现对每一个液晶单元的相位控制，形成针对液晶阵列天线和其它超材料阵列天线波束合成与指向控制的一种普遍方法。
附图说明
13.图1为xy平面内的阵列单元分布及方位示意图；图2为阵列天线波束合成的过程示意图；图3为一个阵元辐射矢量的分解示意图；图4为相位分解后的阵元波束的合成示意图；图5为极化液晶在外场作用下的偏转示意图；图6为矩形栅格矩形边界二维阵列分布示意图；图7为矩形栅格圆形边界二维阵列分布示意图；图8为矩形栅格六边形边界二维阵列分布示意图；图9为三角形栅格矩形边界二维阵列分布示意图；图10为三角形栅格圆形边界二维阵列分布示意图；图11为三角形栅格六边形边界二维阵列分布示意图；图12为圆环形阵列分布示意图；图13为同心圆环阵列分布示意图；图14为位于曲面上的二维共形阵列分布示意图；
图15为单轴晶体的折射率椭球及其对传输电磁波的调控示意图；图16为液晶阵列天线波束合成与指向控制流程示意图；图17为通过相位分解法实现的具有60
°
指向的等副瓣阵列天线方向图。
具体实施方式
14.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
15.实施例：如图1所示，假设天线是位于xy平面内的阵列，某个阵元的位置矢量为
ij
，波束的指向矢为，波束指向矢与z轴的夹角为，指向矢在xy平面的投影，与x轴的夹角为，于是，阵元辐射方向图的空间相位因子可以表示为如图2所示，对于一个阵列天线，每一个阵元的输入信号表示为，每一个阵元的馈电权重矢量用表示，在远场近似下，阵列天线的辐射方向图函数s可以表示为：其中，因此，确定了每一个阵元的馈电权重矢量的复数值之后，就可以从理论上确定阵列天线的波束成型及指向。因为是复数，所以，如何通过天线单元实现馈电权重是问题的关键。对于液晶阵列天线中的每一个阵元，其辐射场e
ij
采用如图3所示的方式进行分解，其中的每一个轴x和y，对应液晶阵列天线中的一个阵元，e
ij
与0相位参考轴的夹角为的辐角，其在x轴上的分量为ex，在y轴上的分量为ey。这样就把一个的的数值分解在两个具有一定间距的液晶阵列天线的阵元上，这两个相位分解阵元的间距取决于合成波束的指向以及x轴和y轴之间的夹角。
16.原则上x轴和y轴之间可以有任意角度，当x轴和y轴之间的夹角为时，x轴可以对应直角坐标系的任意一个半轴，y轴则对应于比x轴的相位大的另一个半轴。对应在液晶阵列天线的阵元上，就是x轴和y轴分别对应两个间距为四分之一波长（）的相位分解阵元。
17.如图4所示，如果要求阵列天线波束指向为，阵元间距为d，那么与一个对应的两个相位分解阵元的间距为，这两个相位分解阵元辐射的电磁场合成一个对应的阵元的辐射电磁场。而阵元位置的选择取决于的辐角，如果取x轴和y轴之间的夹角为，当的辐角位于第一象限时，则第一个相位分解阵元的位置为0相位参考点，与之对应的另一个相位分解单元的位置为最接近处。当的辐角位于第二象限时，则图3中的x轴对应直角坐标系中y轴的正半轴，图3中 的y轴对应直角坐标系中x轴的负半轴。第一个相位分解阵元的位置相对于0相位参考点移动的距离dx满足如下关系：与之对应的另一个相位分解单元的位置为距离第一个相位分解阵元最接近处。的辐角位于第三和第四象限时，x轴和y轴的选择，以及第一个相位分解阵元的位置的选择，与同一个对应的两个相位分解阵元的间距的选择都采用同样的方法。当第一对相位分解阵元的位置确定后，其他对相位分解阵元的位置由阵元间距d来确定。
18.这样，与一个对应的两个相位分解单元中，彼此之间的相位关系已经确定。而阵元辐射场eij在x轴和y轴上的分量的大小，通过调节相位分解阵元中的液晶的偏转程度来实现。
19.如图5所示，本发明所提到的液晶阵列天线中所使用的液晶材料，在电场的作用下，可以发生极化。极化偶极矩p沿液晶分子的长轴方向，极化偶极矩与外加电场之间存在夹角，从而使得液晶分子上存在一个旋转力矩，这可以让液晶分在在外加电场的大小发生变化的时候产生不同程度的偏转。
20.本发明提供基于上述液晶对微波毫米波的调控方法和辐射结构所形成的辐射单元组合而成的天线阵列结构，包括但不限于图6所示的矩形栅格矩形边界二维阵列分布示意图，图7所示的矩形栅格圆形边界二维阵列分布示意图，图8所示的矩形栅格六边形边界二维阵列分布示意图，图9所示的三角形栅格矩形边界二维阵列分布示意图，图10所示的三角形栅格圆形边界二维阵列分布示意图，图11所示的三角形栅格六边形边界二维阵列分布示意图，图12所示的圆环形阵列分布示意图，图13所示的同心圆环阵列分布示意图，图14所示的位于曲面上的二维共形阵列分布示意图。
21.图15所示为本发明所提到的液晶材料所具有的折射率椭球。液晶材料只有一个主光轴。垂直于主光轴的平面为圆平面，表明在垂直于主光轴的方向上，材料的折射率相等（n
x
=n
y
）。电磁波沿着主光轴传输时,不发生任何变化。如果电磁波的传播方向k与液晶分子的主光轴存在一定夹角，同时，电场的振动方向不在等折射率圆内，例如，沿图15中的n
e
方向。那么，相对于沿主光轴方向运动，n
e
方向的折射率增大，电磁波在该方向的运动速度减慢。因此，当液晶分在在外加电压的驱动下，发生不同程度的偏转时，电磁波的传播方向将与液晶的主光轴之间存在不同程度的夹角。从而使振动电场对应不同的折射率或介电常
数。使得电磁波在不同偏转状态的液晶分子中的运动速度不同，进而实现在某个方向上得到所需要的幅度调制。
22.本发明提供基于以上方法的液晶阵列天线的波速和合成与控制方法，其具体流程如图16所示。首先，需要给定所期望的阵列天线在某个方向的辐射方向图函数。其次，通过对给定方向图函数进行逼近，确定每一阵元的馈电权重矢量。在确定了每一个辐射单元所对应的馈电权重矢量后，通过前述的相位分解方法，对每一个在阵列平面上进行相位分解，确定某一波束指向所对应的相位分解阵元得分布，从而确定了每一个所对应的相位分布。最后，通过给每一个相位分解阵元加载电压驱动信号，实现相位分解阵元中液晶偏转状态的阵列分布，从而确定了每一个所对应的幅度在两个分解单元上的数值。最后，通过相位分解阵元上的辐射场在远场区的叠加，实现所期望的阵列天线辐射方向图。当阵列天线的波束指向发生变化时，同时通过天线控制系统刷新这一阵列天线中相应的辐射单元上的控制电压，从而实现波束指向的切换，达到阵列天线方向图的再现。图17为其一实施例示出的通过相位分解法实现的具有60
°
指向的等副瓣阵列天线方向图。
23.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。