一种宽角扫描透镜终端天线及其扫描方式

技术领域

本发明涉及透镜天线领域，具体涉及一种宽角扫描透镜终端天线及其扫描方式。

背景技术

具有跟踪能力的终端天线是卫星通信系统的关键组成部件之一，要实现天线对卫星具有较好的自动跟踪能力，对终端天线的宽角扫描能力提出了要求。相控阵天线安装在海陆空的移动终端上，是目前完成对卫星的跟踪和通信的常用终端系统设计。采用传统的具有扫描能力的相控阵技术，可以通过控制每一个单元通道的相位信息，进而实现宽角扫描功能。但考虑高增益设计时，会使得天线阵列中的单元数量增加，其对应的馈电网络也会变得复杂而庞大，更为重要的是，此时馈电网络的插入损耗也会随着增加，这样反而会降低天线的增益。若单使用点源馈电的透镜结构实现高增益，则会降低终端天线系统的扫描灵活性和扫描能力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有高增益天线阵列的体积大、通道数多导致的成本问题，以及现有的单馈源透镜天线阵列不能进行快速波束扫描的问题，提出了一款新型的基于加载相控馈源的宽角扫描透镜终端天线，该透镜天线将透镜单元与传统的相控阵有效融合在一起，通过改变相控馈源的相位，可实现透镜的扫描功能，不仅能有效提高天线的增益，还能实现透镜天线的宽角扫描。

本发明通过下述技术方案实现：

一种宽角扫描透镜终端天线，包括由若干结构相同的阵元组成的总阵列，所述阵元自上而下包括一一对应的透镜和相控馈源阵列，所述相控馈源阵列由2N个子阵组成，每个所述子阵由N*N个天线单元组成，N∈[2，+∞]。

作为优化，所述透镜为平凸透镜，且所述透镜的凸面朝向所述相控馈源，所述透镜的平面朝外辐射。

作为优化，所述天线单元包依次连接的顶层、中间层和底层，所述顶层为带有对切角的第一方形切角片；所述中间层为带有对切角的第二方形切角片，且所述第二方形切角片上设有缝隙，所述底层为接地板，且所述第一方形切角片和第二方形切角片的对切角在同一方向上。

作为优化，同一所述子阵中的所述天线单元沿顺时针方向依次旋转90°。

作为优化，通过稀疏布阵的原则选取若干个所述阵元作为哑元。

本发明还公开了一种宽角扫描透镜终端天线的扫描方式，包括如下步骤：

S1、给予每个所述相控馈源阵列中每一个所述天线单元等幅馈电，且所述每个子阵中的所述天线单元相位依次相差90°，所述每个子阵的相位设置相同，得到所述总阵列的法向方向图；

S2、通过所述总阵列的法向方向图结合基于差分进化算法的可重构透镜天线阵列栅瓣抑制技术进行阵列综合分析，得到扫描目标扫描位置时的每个透镜单元(阵元)的相位信息ψ

S3、根据透镜单元(阵元)的相位信息ψ

S4、根据得到的天线单元的相位

作为优化，步骤S2为根据透镜单元(阵元)的相位信息ψ

作为优化，所述透镜单元(阵元)的相位信息ψ

作为优化，计算所述最优决策变量X

步骤1、对总阵列的决策变量进行初始化，所述总阵列的决策变量为X

步骤2、将初始化后的决策变量X

步骤3、对所述决策变量进行差分、交叉、选择的迭代运算，计算出新决策变量，返回步骤2。

作为优化，S3中，所述阵元的相位信息ψ

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明通过基于相控馈源的平凸透镜天线结构实现了终端天线的高增益和大角度扫描性能，与传统的相控阵天线和传统透镜天线相比，本发明扫描具有灵活性高、增益高、扫描角度大等效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：

图1为本发明所述的一种宽角扫描透镜终端天线的总阵列的布局示意图；

图2为本发明所述的一种宽角扫描透镜终端天线的总阵列的哑元布局示意图；

图3为本发明所述的一种宽角扫描透镜终端天线的阵元的结构示意图；

图4为本发明所述的一种宽角扫描透镜终端天线的透镜的结构示意图；

图5为本发明所述的一种宽角扫描透镜终端天线的相控馈源阵列的布局示意图；

图6为本发明所述的一种宽角扫描透镜终端天线的相控馈源阵列的子阵布局图；

图7为本发明所述的一种宽角扫描透镜终端天线的相控馈源阵列的天线单元的结构示意图；

图8为本发明所述的一种宽角扫描透镜终端天线的阵元的左右旋方向图；

图9为本发明所述的一种宽角扫描透镜终端天线的阵元的轴比图；

图10为本发明所述的一种宽角扫描透镜终端天线的总阵列法向方向图；

图11为本发明所述的一种宽角扫描透镜终端天线的总阵列扫描方向图；

图12为本发明所述的一种宽角扫描透镜终端天线的45°目标扫描位置的扫描方向图；

图13为实施例中阵元的线性排布俯视示意图；

图14为实施例中阵元的线性排布侧视示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

本发明公开了一种宽角扫描透镜终端天线，包括由若干结构相同的阵元组成的总阵列，所述阵元自上而下包括一一对应的透镜和相控馈源阵列，所述相控馈源阵列由2N个子阵组成，每个所述子阵由N*N个天线单元组成，N∈[2，+∞]。透镜和相控馈源阵列之间有距离，通过各自的支撑机构进行支撑，该支撑机构可以为支撑板等现有技术，同时，相控馈源阵列和透镜之间的距离，一般与透镜的焦距相等，当然，也会根据实际情况进行调整。

本实施例中，所述透镜为平凸透镜，且所述透镜的凸面朝向所述相控馈源，所述透镜的平面朝外辐射。

本实施例中，所述天线单元包依次连接的顶层、中间层和底层，所述顶层为带有对切角的第一方形切角片；所述中间层为带有对切角的第二方形切角片，且所述第二方形切角片上设有缝隙，所述底层为接地板，且所述第一方形切角片和第二方形切角片的对切角在同一方向上。

本实施例中，同一所述子阵中的所述天线单元沿顺时针方向依次旋转90°。

本实施例中，通过稀疏布阵的原则选取若干个所述阵元作为哑元。

具体的，本发明可适用于不同工作频段，以一种工作在Ka频段的透镜终端发射天线阵列(总阵列)为例，如图1-2所示，总阵列采用三角栅格布阵，共91阵元。所述阵列中的每一个阵元结构相同，如图3所示，包括自上而下设置的透镜和相控馈源。如图4所示，所述透镜采用平凸透镜结构，所述相控馈源为微带形式的相控阵天线阵列。

进一步地，所述91阵元设计中，根据组件通道排布的优化设计需求，结合稀疏布阵的思想选取10个透镜单元(阵元)作为哑元，实现阵列布局设置，如图2所示。稀疏阵列布局天线可以根据实际情况来进行，这里就不再赘述了。上述透镜阵列布局结构，结合稀疏布阵思想，通过哑元设计，实现通道排布的优化设计，进一步降低系统通道数。

进一步地，所述平凸透镜为双曲线形式的透镜，凸面朝向相控馈源，平面朝外辐射，平凸透镜的口径为35mm。所述平凸透镜所对应焦距为38mm，图3所示的相控馈源阵列位于透镜下方的焦点上。上述宽角扫描透镜终端天线，把相位信息可灵活控制的相控馈源与高增益的平凸介质透镜相结合，实现降低通道数、宽角扫描设计。

进一步地，如图5-7所示，所述相控馈源阵列大小为4×4，由4个2×2的子阵组成。子阵中的每个天线单元顶层为方形切角状，中间层辐射贴片为带有缝隙的方形切角贴片，底层为接地板。即，天线单元包括两层介质基板、顶层寄生贴片、中间层辐射贴片和底层天线GND结构。顶层寄生贴片、中间层辐射贴片贴在介质基板上，所述两层介质基板均为厚0.254mm的Taconic TLY材料，所述顶层寄生贴片为方形切角状，所述中间层辐射贴片为带有横向缝隙的方形切角贴片，所述底层为天线GND。上述方形切角贴片结构，通过增加顶层的寄生贴片设计，以及中间层辐射贴片中心处蚀刻横向缝隙，实现更宽的圆极化带宽和获得良好的阻抗匹配。

所述2×2子阵天线有单个天线单元在空间上沿顺时针方向依次旋转90°得到。4个天线单元依次有90°的相位差。

本发明还有实施例2，一种宽角扫描透镜终端天线的扫描方式，包括如下步骤：

S1、给予每个所述相控馈源阵列中每一个所述天线单元等幅馈电，且所述每个子阵中的所述天线单元相位依次相差90°，所述每个子阵的相位设置相同，得到所述总阵列的法向方向图；

S2、通过所述总阵列的法向方向图结合基于差分进化算法的可重构透镜天线阵列栅瓣抑制技术进行阵列综合分析，得到扫描目标扫描位置时的每个透镜单元(阵元)的相位信息ψ

S3、根据透镜单元(阵元)的相位信息ψ

S4、根据得到的天线单元的相位

本实施例中，步骤S2为根据透镜单元(阵元)的相位信息ψ

本实施例中，所述阵元的相位信息ψ

本实施例中，计算所述最优决策变量X

步骤1、对总阵列的决策变量进行初始化，所述透镜(总)阵列的决策变量为X

步骤2、将初始化后的决策变量X

步骤3、对所述决策变量进行差分、交叉、选择的迭代运算，计算出新决策变量，返回步骤2。

本实施例中，S3中，所述透镜单元(阵元)的相位信息ψ

对于透镜总阵列，其法向方向图可以表示为：

其中E

等效优化目标为寻找一组子阵的扫描方向图角度，即：

本发明提供的新的栅瓣算法包括下列步骤，算法流程如图12所示。

步骤A：输入总阵列参数，步骤B：基于差分进化算法。

具体的：

步骤A中，总阵列的参数包括，工作频率，透镜(总)阵列的规模、拓扑，透镜单元(阵元)可选方向图，即透镜单元(阵元)的最大扫描范围，目标扫描位置。

步骤B中，基于差分进化算法优化可重构透镜单元方向图的选择以及阵列馈电相位。

步骤B中还包括下述步骤:

步骤B1----步骤B2----步骤B3----步骤B4----步骤B5。

其中步骤B1初始化透镜阵列种群(阵元种群)，选择透镜单元可重构方向图分布的等效扫描方向图角度

其中

步骤B2评价函数的选择，目标是栅瓣抑制，优化问题可以写为

则，评价函数用栅瓣值和增益表示为

Fit＝PSLL-kG+C；

其中，k为一正的权系数，C为一常数，保证Fit>0，这样就可以避免后面步骤B3-B5的迭代终止，导致无法找到最优决策变量X

当评价函数Fit满足阈值时，PSLL可以当做是栅瓣值的最小值，而增益

步骤A，输入透镜阵列(总阵列)参数，如图13-图14所示，8个透镜单元线性排布，单元间距3.8λ，透镜单元最大扫描范围±40°，目标扫描位置(45°，0°)和(40°，0°)。

步骤B中，基于差分进化算法优化可重构透镜单元方向图的选择以及阵列馈电相位。

步骤B中还包括下述步骤:

步骤B1----步骤B2----步骤B3----步骤B4----步骤B5。

其中步骤B1初始化种群，并计算优化问题的评价函数，决策变量即为优化目标X

式中i表示种群第i个个体，D表为向量维度，这里D＝3Q，Q为透镜单元的数量，设定种群规模NP，最大迭代次数G

其中，rand(0,1)表示[0,1]区间中均匀分布的随机数，j为向量维度。

步骤B2评价函数的参数选择k＝0.2，C＝20。

Fit＝PSLL-kG+C；

步骤B3进行差分变异操作：

X

步骤B4进行交叉操作，采用二项式交叉操作，以增强种群的多样性，本发明采用二项式交叉操作，以获得新的个体。

rand

步骤B5进行选择操作，贪心地从父代个体和试验个体中选择适应度更优的个体，作为下一代的父个体。

通过以上三个步骤差分、变异、选择，一代又一代地重复进行，直到满足条件为止。

上述将基于差分进化算法的可重构透镜天线阵列栅瓣抑制技术应用于加载相控馈源的透镜阵列的设计，实现大间距布阵下的栅瓣抑制。

对该透镜单元进行相关仿真分析，查看天线的左右旋圆极化增益如图8所示，由仿真结果可知，透镜单元法向增益为20.18dBi。可见，发射透镜单元天线为右旋圆极化天线。

通过设置相控阵单元工作于不同频点时进行仿真，可得到透镜单元(阵元)的轴比信息，结果如图所示。由图9可知，发射透镜单元的轴比在工作频段内均小于3dB。

阵间距设置为38mm，得到其法向方向图如图10所示，由仿真可知，其法向增益为39.26dBi。

结合基于差分进化算法的可重构透镜天线阵列栅瓣抑制技术，实现了发射透镜阵列可扫描角度到45°，扫描方向图如图11所示，可见扫描到45°时最大增益为34.99dBi，栅瓣抑制为9.55dB。

综上所述，首先对透镜下方的相控馈源中的每一个单元进行等幅同相的馈电，得到其法向辐射性能；为了实现如±45°的透镜宽角扫描功能，同时满足大间距布阵下透镜阵列的低栅瓣设计，需由总阵列法向方向图结合基于差分进化算法的可重构透镜天线阵列栅瓣抑制技术进行阵列综合分析，得到扫描±45°时的每个透镜单元相位信息ψ

工作原理：为了实现宽角扫描，首先需要给相控馈源提供一定的幅度和相位，通过改变相控馈源幅度和相位可以使相控馈源的辐射特性发射改变，从而影响其相位中心。当馈源相位中心改变时，会使透镜辐射特性发射改变，从而实现宽角扫描；并结合大间距布阵栅瓣抑制算法，实现大间距布阵下透镜阵列的抑制栅瓣。

因此，本发明实现的宽角扫描透镜终端天线设计避免了传统相控阵天线增益低、馈电网络复杂、成本高和传统透镜天线扫描灵活性低、扫描能力差等问题，采用基于相控馈源的透镜天线稀疏阵列设计来实现宽角扫描功能，从而具有高增益、快速波束扫描、通道数少和低成本等优势，同时可由基于差分进化算法的可重构透镜天线阵列栅瓣抑制技术实现大间距栅瓣抑制的设计优势。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。