一种基于超表面阵列的天线波束赋形方法与流程

1.本技术涉及电子信息领域，尤其涉及一种基于超表面阵列的天线波束赋形方法。


背景技术：

2.电磁超材料是指将亚波长单元按照周期性或者非周期性的方式排布而形成的人工结构。通过对于超表面单元和排布方式的设计，可以实现负介电常数和负折射率等自然界中材料和传统技术无法实现的超常媒质参数。
3.目前穿墙雷达相控阵天线存在两个亟待的解决问题：其一，相控阵天线尺寸固定的情况下，天线单元的孔径大小有限这一特性限制了其增益，从而限制了穿墙雷达系统的探测距离，亟待寻求一种波前调控手段以及阵列小型化的技术，设计出一种相对紧凑并且满足高增益要求的相控阵天线；其二，相控阵天线中天线单元的波束方向一般来说是相对固定的，这一特点致使其波束扫描角越大，增益越低，从而导致穿墙雷达切向分辨率不高，亟待提出一种对天线单元波束调控技术，解决宽角度与高增益之间的矛盾。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本技术提供一种基于超表面阵列的天线波束赋形方法，可以通过天线波束赋形提高天线增益或实现相位控制。
5.第一方面，本技术提供一种超表面阵列结构，超表面单元采用三明治型谐振腔结构，超表面阵列一般为n
×
m矩形排布。其中，超表面单元为三层结构，包括由方形贴片和圆形贴片构成的两侧对称的贴片层和贴片层中间的介质基板，在这一设计中，方形贴片的几何参数主要影响超表面单元的透射率，圆形贴片的几何参数主要影响超表面单元的透射相位分布。通过计算和仿真综合优化，得到满足透射率要求的贴片几何参数范围，在该范围内通过仿真得到透射相位与贴片几何参数对应表。
6.一种可能的实现方式中，所述超表面阵列可以实现提高天线增益。为实现这一功能，超表面阵列设计中选取的各组超表面单元相位差应满足相位补偿原理，使得天线发射的电磁波经超表面阵列后尽可能接近平面波。
7.一种可能的实现方式中，所述超表面阵列可以实现极化转换。三明治结构的谐振腔模型在电磁波入射时会经过金属贴片吸收能量、介质板积蓄能量和金属贴片发射能量三个阶段，从而实现对于电磁波极化方式的控制。
8.一种可能的实现方式中，所述超表面阵列可以实现相位控制。基于超表面单元透射相位与几何参数的对应表，可以实现对于入射电磁波相位的任意控制，设计实现所需的任意功能。
9.第二方面，本技术提供一种超表面阵列设计优化方法。对于某种特定的天线，通过调整超表面单元的几何参数和相对介电常数可以得到与其具有相同中心频点的超表面单元；通过计算其远场电场的表达式，可以确定该天线的等效相位中心坐标。确定了天线的等效相位中心的绝对坐标后，超表面阵列应放置于距该绝对坐标λ/2到λ/4之间的范围内，具
体可根据实际需要进行调整。超表面阵列的单元数n
×
m则应该由天线的最大扫描角决定，其最优选取准则为超表面阵列应覆盖天线增益大于-3db的角度位于超表面阵列位置的面积范围。确定了超表面阵列的单元数n
×
m后，需要根据不同超表面单元与等效相位中心之间光程差的区别进行分组，以满足不同光程差所产生的不同相位差。根据计算的相位差和透射相位与几何参数对应表确定每组超表面单元的贴片几何参数。对完成设计的超表面阵列进行仿真验证性能需求，并在一定动态范围内进行优化，以实现设计目标。
10.步骤200，通过调整超表面单元矩形介质基板的几何参数和相对介电常数的方法来改变其中心频点的方法。超表面单元的中心频点与矩形介质基板的边长成正比，与相对介电常数成反比，可以表述为
11.f0＝kl/εrꢀꢀꢀꢀ
(1)
12.其中，f0为超表面单元的工作频点，l为其矩形介质基板的边长，εr为矩形介质基板的相对介电常数，k为比例系数。
13.步骤210，通过计算和仿真相结合的方式来确定天线的等效相位中心的方法。天线的相位中心是一个等效的概念，天线辐射的电磁波在离开天线一定的距离后，其等相位面会近似表现为一个球形，因为可以认为电磁波是从天线的等效相位中心向外辐射的。在确定天线的等效相位中心时，首先利用远场格林函数得到磁矢势的表达式
[0014][0015]
对该方程在整个求解空间进行积分，可以得到远场电场的表达式为
[0016][0017]
解出其中的r0就可以确定天线的等效相位中心坐标。在hfss软件中对天线添加三个远场积分，分别用于计算天线相位中心的三维坐标(x,y,z)。值得注意的是，在计算三维坐标(x,y,z)，针对不同坐标要选取不同几何范围。除此之外，由于推导过程过假设远场积分面上任意一点与等效相位中心之间的距离小于λ/2，应该保证求解空间对应几何范围与天线等效相位中心之间的距离小于λ/2，以保证求解过程的准确性。
[0018]
步骤220，确定超表面阵列位置及阵列单元数n
×
m的方法。根据天线的等效相位中心，超表面阵列一般放置在距其绝对坐标λ/2到λ/4处，考虑实际系统中，天线的尺寸及其他因素，超表面的阵列位置可以进行一定的调整。确定超表面阵列的位置之后，根据天线的最大扫描角通过计算可以得到在该位置所需要的超表面阵列大小2dθ
max
，其中d为天线等效相位中心与超表面阵列几何中心之间的距离，θ
max
为天线的最大扫描角。确定超表面阵列大小之后，根据超表面单元的几何参数，可以确定超表面阵列的单元数n
×
m。
[0019]
步骤230，确定不同位置超表面单元贴片几何参数的方法。费马原理将a、b两点之间电磁波传播的过程表示为
[0020][0021]
根据这一原理可以计算天线发射出的电磁波在不同超表面单元处的光程差
[0022][0023]
其中a为天线等效相位中心的绝对坐标，b和c分别为不同超表面单元的几何中心，光程差与相位差之间的关系一般表述为
[0024][0025]
其中λ为电磁波的波长。
[0026]
根据上述原理，对各个超表面的贴片几何参数由补充矩阵中的相位元素一一确定，在这一过程中，为了简便计算，可以将具有相同光程差的超表面单元分为同一组，选取相同的贴片几何参数。
[0027]
步骤240，利用matlab接口控制hfss软件进行超表面阵列的建模，并仿真验证其性能是否达到要求，最后在一定范围内对参数进行调整的方法。基于hfss软件的vbs脚本文件功能，利用matlab封装函数，实现高级语言matlab与汇编语言vbs之间的映射，从而实现超表面阵列这一周期性结构的自动建模。同时，通过matlab接口控制hfss软件在一定范围内设置优化，利用hfss软件的优化功能对设计中的几何参数进行调整，以实现整体设计要求。
[0028]
有益效果
[0029]
利用电磁超材料这一人工结构所具有的对于电磁波的动态操控能力，针对相控阵天线所急需的波前调控手段、阵列小型化技术以及天线单元波束调控技术，本发明提出了一种基于超表面阵列的天线波束赋形方法，该方法提出了一种切实可行的超表面单元结构，并且提出了与之相应地超表面阵列优化设计方法。通过对于这一超表面单元结构和优化方法的应用，可以有效实现针对不同天线的提高增益、极化转换和相位控制功能。以提高天线增益为例，比较矩形微带贴片天线加载超表面阵列前后的增益变化，未加载超表面阵列的微带贴片天线的增益图表明其最大增益为6.57db，加载超表面阵列的微带贴片天线的增益图表明其最大增益为8.7db，加载超表面阵列前后最大增益提高了2.23db。
附图说明
[0030]
图1是用于实现天线波束赋形的超表面阵列优化设计方法流程图；
[0031]
图2、图3、图4是中心频点为6.5ghz的超表面单元结构hfss仿真设计三视图，其主要参数为：超表面的边长l为25mm，超表面的高度h为1.5mm，方形贴片的宽度w为1mm，圆形贴片的半径radius为5mm以及超表面单元的层数n为1；
[0032]
图5、图6、图7是针对中心频点为6.5ghz的微带贴片天线设计的超表面阵列hfss仿真三视图，其中，超表面阵列与天线等效相位中心之间的距离为25mm，超表面阵列单元数为5
×
5。其主要设计参数为：超表面的边长l为25mm，超表面的高度h为1.5mm，方形贴片的宽度w为1mm，各组圆形贴片的半径radius由大到小分别为10.58mm、9.6mm、9.06mm、7.06mm、6.56mm、6.26mm，超表面单元的层数n为1；
[0033]
图8是6.5ghz超表面单元几何参数与透射率、透射相位的对应图。
具体实施方式
[0034]
下面结合附图对本发明实施例作详细说明。
[0035]
图1是用于实现天线波束赋形的超表面阵列优化设计方法流程图。针对已知的某
一特定天线，超表面阵列的优化设计方法主要包括：确定超表面单元的几何参数和相对介电常数，确定天线等效相位中心，确定超表面阵列位置，确定超表面阵列单元数n
×
m，对超表面单元进行分组，确定每组超表面单元的贴片几何参数，利用matlab接口控制hfss软件进行仿真验证和局部优化。
[0036]
步骤300，通过调整超表面单元矩形介质基板的几何参数和相对介电常数的方法来改变其中心频点的方法。超表面单元的中心频点与矩形介质基板的边长成正比，与相对介电常数的函数成反比，可以表述为
[0037]
f0＝kl/g(εr)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0038]
其中，f0为超表面单元的工作频点，l为其矩形介质基板的边长，g(εr)为矩形介质基板的相对介电常数的函数，由其唯一确定，k为比例系数。
[0039]
步骤310，确定天线的等效相位中心的基本原理及方法。利用远场格林函数得到磁矢势的表达式
[0040][0041]
对该方程在整个求解空间进行积分，可以得到远场电场的表达式为
[0042][0043]
理论上对上式中r0进行求解，就可以得到特定天线的等效相位中心。
[0044]
利用hfss软件通过仿真方式计算其等效相位中心的具体步骤又包括：设置坐标计算的几何范围，其中
[0045][0046][0047][0048]
根据上述几何范围设置坐标计算的表达式，其中
[0049]
x＝integ(cang(deg(retheta)*c0/(pi2*4.5e9)*cos(theta)))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0050]
y＝integ(cang(deg(retheta)*c0/(pi2*4.5e9)*cos(phi)))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0051]
z＝integ(cang(deg(retheta)*c0/(pi2*4.5e9)*sin(phi)))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0052]
需要注意的是，上述表达式是以hfss中函数表达式的形式给出的。
[0053]
图2、图3、图4是中心频点为6.5ghz的超表面单元结构hfss仿真设计图。针对已知的某一特定天线，首先需要通过调整超表面单元的长度和相对介电常数使其与天线具有相同的中心频点，应尽可能满足超表面单元在天线的工作频带内透射率均大于0.8。由于该超表面单元的周期特性，可以针对超表面单元设置周期边界条件，从而模拟无限周期超表面阵列的电磁特性。具体来说，将围绕超表面单元的表面分别设置为两对主从连接边界master_boundary和slave_boundary，上下表面分别位于距离超表面单元一个波长处，并分别施加floquet激励，其中，位于上表面的floquet端口设置为1端口，发射功率为1w，作为发射端口，位于下方的floquet端口设置为2端口，发射功率为0w，作为接收端口。设置仿真分析的工作频率为6.5ghz，并设置一定频带范围内的线性步进扫频，从而得到其透射率和透
射相位。
[0054]
步骤320，确定超表面阵列位置及阵列单元数n
×
m的方法。根据天线的等效相位中心，超表面阵列一般放置在距其绝对坐标λ/2到λ/4处，考虑实际系统中，天线的尺寸及其他因素，超表面的阵列位置可以进行一定的调整。确定超表面阵列的位置之后，根据天线的最大扫描角通过计算可以得到在该位置所需要的超表面阵列大小2dθ
max
，其中d为天线等效相位中心与超表面阵列几何中心之间的距离，θ
max
为天线的最大扫描角。确定超表面阵列大小之后，根据超表面单元的几何参数，可以确定超表面阵列的单元数n
×
m。
[0055]
图5、图6、图7是针对中心频点为6.5ghz的微带贴片天线设计的超表面阵列hfss仿真设计图。首先确定超表面阵列几何中心的位置应位于距天线等效相位中心λ/2到λ/4处，在该实例中选取25mm；进一步地，利用该微带贴片天线最大扫描角和超表面中心与天线等效相位中心之间的距离计算超表面阵列的单元数应为5
×
5。对于确定了位置和单元数的超表面阵列，需要对其中的超表面单元进行分组，根据各个超表面单元距离天线等效相位中心的距离，可将上述5
×
5的超表面阵列分为6组，每组应该对应不同的贴片几何参数。
[0056]
图8是6.5ghz超表面单元几何参数与透射率、透射相位的对应图。通过设置优化的方式，利用hfss软件可以对任意频点处超表面单元的透射率和透射相位进行求解。同样地，围绕超表面单元的表面分别设置为两对主从连接边界master_boundary和slave_boundary，上下表面分别位于距离超表面单元一个波长处，并分别施加floquet激励，其中，位于上表面的floquet端口设置为1端口，发射功率为1w，作为发射端口，位于下方的floquet端口设置为2端口，发射功率为0w，作为接收端口。设置仿真分析的工作频率为6.5ghz，并设置一定频带范围内的线性步进扫频，同时设置圆形贴片和方形贴片的优化范围，其中圆形贴片的几何参数决定超表面单元的透射相位，方形贴片的几何参数决定超表面单元的透射率。一般来说，选取几何参数的步进为0.01mm或0.02mm，这一参数由计算机的计算能力和对于优化目标的细粒度要求共同决定。对于仿真实现的结果以表格形式进行存储，在满足透射率大于0.8这一前提下，得到透射相位与贴片几何参数对应表，从而简化设计过程。
[0057]
步骤330，确定不同位置超表面单元贴片几何参数的方法。费马原理将a、b两点之间电磁波传播的过程表示为
[0058][0059]
根据这一原理可以计算天线发射出的电磁波在不同超表面单元处的光程差
[0060][0061]
其中a为天线等效相位中心的绝对坐标，b和c分别为不同超表面单元的几何中心，光程差与相位差之间的关系一般表述为
[0062][0063]
其中λ为电磁波的波长；
[0064]
根据超表面阵列的单元数n
×
m构建n
×
m维目标矩阵a、误差矩阵b和补充矩阵s，其中目标矩阵中的元素a
ij
表示设计的出射波相位目标值，误差矩阵中的元素b
ij
表示天线的发射电磁波非平面波这一特性所引入的误差值，补充矩阵中的元素s
ij
表示各个位置超表面
单元对于电磁波相位的补充值，上述三者之间的关系应满足
[0065]aij
＝b
ij
s
ij
ꢀꢀꢀ
(19)
[0066]
根据上述原理，对各个超表面的贴片几何参数由补充矩阵中的相位元素一一确定，在这一过程中，为了简便计算，可以将具有相同光程差的超表面单元分为同一组，选取相同的贴片几何参数。
[0067]
步骤340，利用matlab接口控制hfss软件进行超表面阵列的建模，并仿真验证其性能是否达到要求，最后在一定范围内对参数进行调整的方法。在完成超表面阵列和各个超表面单元几何参数的确定之后，应利用matlab控制hfss软件进行超表面阵列的建模和仿真优化，其中对于超表面单元进行建模的代码实现涉及的封装函数包括：绘制长方体hfssbox，选择材料hfssassignmaterial，绘制长方形hfssrectangle，绘制圆形hfsscircle，多对象相减hfsssubtract，多对象相加hfssunite，对象复制hfssduplicatealongline，对象移动hfssmove，选择边界材料为理想电表面hfssassignpe。
[0068]
在对超表面阵列进行建模的过程中需要传入的参数包括：超表面单元圆形贴片的半径radius，方形贴片的宽度w，超表面单元几何中心在xoy平面的坐标(xposition,ypostion)以及超表面单元的编号num。值得注意的是，在实际设计中，需要根据超表面单元设计的结果对函数进行一定的修改。
[0069]
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上实施例仅是用来说明本发明，而并非作为对本发明的限定，只要在本发明的范围内，对以上实施例的变化、变型都将落在本发明的保护范围。