基于1Bit可重构反射阵的单波束设计方法

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种单波束设计方法，可用于L型走廊室内信号补盲及波束扫描。

背景技术

随着现代通信发展，尤其在雷达通信和公共通信网络中对天线的功能多样性和自适应能力要求越来越高。可重构反射阵最重要的一个优点就是可以实现波束扫描，并且不像传统的相控阵要使用复杂的T/R组件，使用一个低损耗的相位转换器就能实现需要的功能。实现波束扫描的可重构反射阵其中应用最多的是1Bit可重构反射阵。通过控制PIN管来实现单元之间的180°相位差，从而呈现出“0”“1”两种状态，继而将反射阵单元所需补偿相位进行量化，从而实现波束扫描。

Hirokazu Kamoda,Toru Iwasaki等人在2011年的文章“60-GHz ElectronicallyReconfigurable Large Reflectarray Using Single-Bit Phase Shifter”中提出一种工作于60GHz的毫米波成像系统的1Bit可重构反射阵天线。该设计原理是通过在微带贴片末端的相位延迟线上加载PIN管控制通断，改变单元电长度，从而改变单元反射相位最终实现±25°的波束扫描。然而在使用1Bit编码时，必然出现对称的两个波束，这是1Bit本身固有的。这种两个对称波束在应用场景恰好需要两个波束时是适用的，例如T型走廊。但是，如果该反射阵应用场景仅需要单波束时，多余的波束就成了浪费，并且会使得主波束减少3dB。

薛扬，徐深恒等人在2015年的文章“Design of a 2-bit reconfigurablereflectarray element using two MEMS switches”中提出了一种Ku波段可重构反射阵单元的设计。该设计是在一个单元上加载两个微机电系统MEMS开关，以实现2Bit相位可重构性。1Bit有“0”“1”两种状态，对应相位精度为180°；然而2Bit可以实现“00”“01”“10”“11”四种状态，对应相位精度为90°。使得相位精度从180°提高到了90°可以得到理想的单波束，但是这样却增加了天线的成本和直流偏置电路的复杂度。

综上所述，目前1Bit可重构反射阵实现单波束扫描存在一种矛盾。1Bit必然会浪费不需要的对称波束，如果使用2Bit又会增加天线成本。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于1Bit可重构反射阵的单波束设计方法，以在不增加天线成本前提下，得到理想的单波束。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于1Bit可重构反射阵的单波束设计方法，其特征在于，所述1Bit可重构反射阵，由两种类型的金属辐射单元构成M×N的1Bit可重构反射阵，M、N均为大于等于2的正整数，这两种类型的金属辐射单元均通过相位延迟线加载一个PIN二极管；该第一类金属辐射单元通过控制PIN管的通断实现0°和180°相移；第二类金属辐射单元通过控制PIN管的通断实现90°和270°相移；

基于所述1Bit可重构反射阵的单波束设计，包括如下步骤：

1)确定可重构反射阵主波束θ扫描范围为θ

2)计算扫描范围中心主波束θ

3)根据编码矩阵Bit(i,j)选择(i,j)坐标位置下的金属辐射单元类型(1)或(2)，得到特定的1Bit可重构反射阵(3)；

4)计算可重构反射阵(3)所需主波束θ的补偿相位

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一、本发明由于在1Bit可重构反射阵部署两种类型的金属辐射单元，引入了天然的90°相差，在此基础上使用1Bit编码使得反射阵中出现相差为90°的四种状态，相较于常规1Bit可重构反射阵，本发明采用两种金属辐射单元的1Bit可重构反射阵，能得到理想的单波束反射波，且去掉了不必要的对称波束，增强了主波束的方向性。

第二、本发明在不增加PIN管的前提下得到理想的单波束，节省了成本。

附图说明

图1为本发明1Bit可重构反射阵系统图；

图2为本发明实现流程图；

图3为本发明波束在扫描选择为0°时的归一化方向图；

图4为本发明波束在扫描选择为10°时的归一化方向图；

图5为本发明波束在扫描选择为20°时的归一化方向图；

图6为本发明波束在扫描选择为30°时的归一化方向图；

图7为本发明波束在扫描选择为40°时的归一化方向图；

图8为本发明波束在扫描选择为45°时的归一化方向图；

图9为本发明波束在扫描选择为50°时的归一化方向图；

图10为本发明波束在扫描选择为55°时的归一化方向图；

图11为本发明波束在扫描选择为60°时的归一化方向图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细描述

参照图1，本实例的1Bit可重构反射阵系统3，包括第一类金属辐射单元1、第二类金属辐射单元2。

该第一类金属辐射单元是在常规反射阵单元基础上加载了一段相位延迟线4，在相位延迟线中加载了一个PIN管5，当PIN管关闭时，信号未通过整个相位延迟线，相移为0°；当PIN管连通时，信号通过相位延迟线，到达终端并反射回单元贴片，相移为180°；

该第二类金属辐射单元是在第一类金属辐射单元基础上改变相位延迟线长度得到的，相位延迟线长度l与相位延迟

其中，k是波数，根据式子选择合适的l使得当PIN管关闭时，相移为90°；当PIN管连通时，相移为270°。

参照图2、图7，本实例基于上述1Bit可重构反射阵的单波束设计方法，其实施步骤如下：

步骤1、确定可重构反射阵主波束θ扫描范围为0°≤θ≤60°，本实例取但不限于θ＝40°、θ

步骤2、计算30°时的补偿相位

2.1)根据实际入射波的角度以及所需要的反射波角度，通过下式计算30°时的补偿相位

其中

2.2)将各单元补偿相位

当

当

其中：编码“00”表示实现0°相移；编码“01”表示实现90°相移；编码“10”表示实现180°相移；编码“11”表示实现270°相移。

步骤3、根据编码矩阵Bit(i,j)选择(i,j)坐标位置下的金属辐射单元类型，得到特定的1Bit可重构反射阵3。

3.1)当编码矩阵Bit(i,j)为00和10时，在(i,j)坐标位置下放置第一类金属辐射单元1；

3.2)当编码矩阵Bit(i,j)为01和11时，在(i,j)坐标位置下第二类金属辐射单2，得到1Bit可重构反射阵3。

步骤4、计算可重构反射阵3所需主波束θ的补偿相位

4.1)根据实际入射波的角度以及所需要的反射波角度，通过下式计算扫描范围最中心主波束θ的补偿相位

其中

4.2)对补偿相位

步骤5根据Bit

本发明效果可通过以下仿真实例进一步说明：

仿真1：使用HFSS软件仿真本发明在扫描范围为0°≤θ≤60°，反射阵主波束角度θ＝0°时的归一化方向图，结果如图3所示。

从图3可见用本发明方法可在反射阵所需主波束0°方向上得到需要的主波束，其余方向上未出现较高的副瓣。

仿真2：使用HFSS软件仿真本发明在扫描范围为0°≤θ≤60°，反射阵主波束角度θ＝10°时的归一化方向图，结果如图4所示。

从图4可见用本发明方法可在反射阵所需主波束10°方向上得到需要的主波束，其余方向上未出现较高的副瓣。

仿真3：使用HFSS软件仿真本发明在扫描范围为0°≤θ≤60°，反射阵主波束角度θ＝20°时的归一化方向图，结果如图5所示。

从图5可见用本发明方法可在反射阵所需主波束20°方向上得到需要的主波束，其余方向上未出现较高的副瓣。

仿真4：使用HFSS软件仿真本发明在扫描范围为0°≤θ≤60°，反射阵主波束角度θ＝30°时的归一化方向图，结果如图6所示。

从图6可见用本发明方法可在反射阵所需主波束30°方向上得到需要的主波束，其余方向上未出现较高的副瓣。

仿真5：使用HFSS软件仿真本发明在扫描范围为0°≤θ≤60°，反射阵主波束角度θ＝45°时的归一化方向图，结果如图8所示。

从图8可见用本发明方法可在反射阵所需主波束45°方向上得到需要的主波束，其余方向上未出现较高的副瓣。

仿真6：使用HFSS软件仿真本发明在扫描范围为0°≤θ≤60°，反射阵主波束角度θ＝50°时的归一化方向图，结果如图9所示。

从图9可见用本发明方法可在反射阵所需主波束50°方向上得到需要的主波束，其余方向上未出现较高的副瓣。

仿真7：使用HFSS软件仿真本发明在扫描范围为0°≤θ≤60°，反射阵主波束角度θ＝55°时的归一化方向图，结果如图10所示。

从图10可见用本发明方法可在反射阵所需主波束55°方向上得到需要的主波束，其余方向上未出现较高的副瓣。

仿真8：使用HFSS软件仿真本发明在扫描范围为0°≤θ≤60°，反射阵主波束角度θ＝60°时的归一化方向图，结果如图11所示。

从图11可见用本发明方法可在反射阵所需主波束60°方向上得到需要的主波束，其余方向上未出现较高的副瓣。

综上，本发明可在波束扫描范围0°≤θ≤60°实现不同的主波束指向，得到所需的理想单波束。