一種近場(chǎng)均勻波束毫米波天線設(shè)計(jì)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明所屬毫米波天線【技術(shù)領(lǐng)域】，為了解決多種應(yīng)用領(lǐng)域中毫米波口徑天線近場(chǎng)波束分布波動(dòng)劇烈而不利于實(shí)際應(yīng)用，且目前沒(méi)有均勻波束毫米波天線高效設(shè)計(jì)方法的難題，發(fā)明提供了一種近場(chǎng)均勻波束毫米波天線設(shè)計(jì)方法，利用本提供的近場(chǎng)均勻波束毫米波天線設(shè)計(jì)方法，可按步驟設(shè)計(jì)在近場(chǎng)區(qū)域具有均勻波束的毫米波天線，可廣泛應(yīng)用于毫米波等離子體加熱天線、毫米波近程通訊、射頻識(shí)別和毫米波成像等對(duì)近場(chǎng)波束分布有賦形要求的領(lǐng)域。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種近場(chǎng)均勻波束毫米波天線設(shè)計(jì)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明毫米波天線領(lǐng)域，具體是指一種近場(chǎng)均勻波束毫米波天線設(shè)計(jì)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 天線的遠(yuǎn)場(chǎng)能量和波束分布特性只與方向有關(guān)，因此采用方向圖就可描述遠(yuǎn)場(chǎng)的 能量分布規(guī)律。然而在毫米波天線【技術(shù)領(lǐng)域】，由于電磁波波長(zhǎng)很短（1mm?l〇mm)，很多應(yīng)用 (如：毫米波等離子體加熱、毫米波成像/探測(cè)、毫米波短程通訊、射頻識(shí)別等）都集中在毫 米波天線的近場(chǎng)區(qū)域，由于菲尼爾衍射疊加，在近場(chǎng)區(qū)域內(nèi)的波束和能量分布十分復(fù)雜，能 量隨距離變化劇烈震蕩，已不能簡(jiǎn)單用方向圖來(lái)描述并設(shè)計(jì)其分布規(guī)律。上述應(yīng)用中希望 近場(chǎng)毫米波波束在一定距離范圍內(nèi)都較為均勻，而目前尚未有一種有效的方法來(lái)設(shè)計(jì)近場(chǎng) 均勻波束的毫米波天線。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是提供一種近場(chǎng)均勻波束毫米波天線設(shè)計(jì)方法，用于提供一種高 效、準(zhǔn)確的近場(chǎng)均勻波束毫米波天線設(shè)計(jì)方法，解決目前近場(chǎng)賦形波束毫米波天線的設(shè)計(jì) 難題。
[0004] 本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)推導(dǎo)得到的理論公式，實(shí)現(xiàn)口面電場(chǎng)分布函數(shù)到近 場(chǎng)軸線電場(chǎng)分布函數(shù)之間的快速變換，進(jìn)而采用迭代方法逆向求解給定近場(chǎng)波束分布情 況下對(duì)應(yīng)的口面場(chǎng)分布，采用準(zhǔn)光方法設(shè)計(jì)反射面天線面型以產(chǎn)生迭代綜合得到的口面分 布，最終在近場(chǎng)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生功率密度和波束半徑沿距離基本不變的筆狀均勻波束。
[0005] 具體的為建立近場(chǎng)均勻波束毫米波天線口面電場(chǎng)分布與近場(chǎng)軸線電場(chǎng)分布的數(shù) 學(xué)模型和兩者間的映射關(guān)系，所述映射關(guān)系實(shí)現(xiàn)了口面場(chǎng)分布與近場(chǎng)軸線分布之間的來(lái)回 快速高效變換。
[0006] 基于所述映射關(guān)系建立了天線口面場(chǎng)的逆向求解方法，可根據(jù)所需的近場(chǎng)波束分 布特性逆向求解和設(shè)計(jì)天線的口面電場(chǎng)分布。
[0007] 將所述求解得到的口面電場(chǎng)分布抽象為由準(zhǔn)光聚/散焦射線簇構(gòu)成，通過(guò)設(shè)計(jì)反 射面天線面型獲得所述的準(zhǔn)光聚/散焦射線簇，從而產(chǎn)生所述的口面電場(chǎng)分布，進(jìn)而在近 場(chǎng)區(qū)域形成設(shè)計(jì)所需的均勻波束。
[0008] 若得到的近場(chǎng)波束未滿足期望的空間分布特性，返回第b步繼續(xù)循環(huán)迭代，反之 則退出循環(huán)完成口徑場(chǎng)分布A(r)的逆向求解。
[0009] 綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：通過(guò)對(duì)口徑天線近 場(chǎng)衍射理論的深入分析，首次實(shí)現(xiàn)了口面場(chǎng)分布與近場(chǎng)軸線分布之間的快速變換，并以此 為基礎(chǔ)，給出了基于唯相迭代的口面逆向求解方法和基于聚散角射線簇的口面相位實(shí)現(xiàn)方 法，采用此方法設(shè)計(jì)的近場(chǎng)均勻波束毫米波天線在近場(chǎng)獲得了功率密度和波束半徑都十分 均勻的毫米波波束。本發(fā)明的方法可廣泛用于設(shè)計(jì)毫米波等離子體加熱天線、毫米波近程 通訊、射頻識(shí)別和毫米波成像等對(duì)近場(chǎng)波束分布有賦形要求的領(lǐng)域。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0010] 本發(fā)明將通過(guò)例子并參照附圖的方式說(shuō)明，其中：
[0011] 圖1是圓口徑天線近場(chǎng)衍射幾何示意圖；
[0012] 圖2是口面電場(chǎng)分布f(r)到軸線電場(chǎng)分布F(z)映射關(guān)系示意圖；
[0013] 圖3是迭代逆向求解口面分布步驟流程圖；
[0014] 圖4是綜合得到的口面場(chǎng)強(qiáng)和相位分布；
[0015] 圖5是近場(chǎng)軸線上的功率密度分布；
[0016] 圖6是特殊口面相位分布的準(zhǔn)光實(shí)現(xiàn)原理；
[0017] 圖7是給定的口面幅值分布；
[0018] 圖8是迭代逆求解得到的口面相位分布；
[0019] 圖9是口面不同半徑對(duì)應(yīng)的聚焦點(diǎn)位置和散焦點(diǎn)位置；
[0020] 圖10是賦形計(jì)算到的主、副面面型；
[0021] 圖11是試驗(yàn)得到的近場(chǎng)波束功率密度分布圖。

【具體實(shí)施方式】
[0022] 由電磁場(chǎng)的邊界唯一性定理，天線在自由空間的輻射場(chǎng)分布基本取決于天線口面 上的分布，對(duì)于本課題所研究的圓口徑反射面天線，其近場(chǎng)域的電場(chǎng)空間分布可由天線口 徑上的電場(chǎng)積分得到，如圖1所示，用面積分可表示為 ：
[0023]

【權(quán)利要求】
1. 一種近場(chǎng)均勻波束毫米波天線設(shè)計(jì)方法，其特征在于該方法包括以下步驟： 建立近場(chǎng)均勻波束毫米波天線口面電場(chǎng)分布與近場(chǎng)軸線電場(chǎng)分布的數(shù)學(xué)模型和兩者 間的映射關(guān)系，所述映射關(guān)系實(shí)現(xiàn)了口面場(chǎng)分布與近場(chǎng)軸線分布之間的來(lái)回快速高效變 換； 基于所述映射關(guān)系建立了天線口面場(chǎng)的逆向求解方法，可根據(jù)所需的近場(chǎng)波束分布特 性逆向求解和設(shè)計(jì)天線的口面電場(chǎng)分布； 將所述求解得到的口面電場(chǎng)分布抽象為由準(zhǔn)光聚/散焦射線簇構(gòu)成，通過(guò)設(shè)計(jì)反射面 天線的面型獲得所述的準(zhǔn)光聚/散焦射線簇，從而產(chǎn)生所述的口面電場(chǎng)分布，進(jìn)而在近場(chǎng) 區(qū)域形成設(shè)計(jì)所需的均勻波束。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種近場(chǎng)均勻波束毫米波天線設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述口 面場(chǎng)分布與近場(chǎng)軸線分布之間的映射關(guān)系為：
其中：z為軸向距離，F(xiàn)(Z)為軸線電場(chǎng)分布，F(xiàn)p(p)為變形后的軸線電場(chǎng)分布，ft(t)為 口面電場(chǎng)徑向分布，其中t = r2, r為徑向半徑。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種近場(chǎng)均勻波束毫米波天線設(shè)計(jì)方法，其特征在于所 述逆向求解方法的具體步驟為： 步驟一、給定初始的口面幅度分布|A(r) I和相位分布PA(r); 步驟二、由映射關(guān)系，利用FFT將口徑的電場(chǎng)分布A (r)快速變換到近場(chǎng)軸線上的電場(chǎng) 分布F(z); 步驟三、根據(jù)期望的軸線電場(chǎng)分布對(duì)f(z)進(jìn)行修正，其中僅改變幅值|f(z) |，保持 F(Z)的相位分布不變； 步驟四、由修正得到的軸線電場(chǎng)分布戶〇〇經(jīng)IFFT變換回對(duì)應(yīng)的口面分布f(r)i+1 ; 步驟五、保持A(r)i+1相位不變，幅值改為初始幅值分布|A(r)| ; 步驟六、若得到的近場(chǎng)波束未滿足期望的空間分布特性，返回第二步繼續(xù)循環(huán)迭代，反 之則退出循環(huán)完成口徑場(chǎng)分布A(r)的逆向求解。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種近場(chǎng)均勻波束毫米波天線設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述口 面電場(chǎng)分布由相位分布和幅度分布兩個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種近場(chǎng)均勻波束毫米波天線設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述相 位分布是由很多聚焦和散焦的射線簇組成，射線的聚（散）焦點(diǎn)位置隨口面徑向位置的不 同而變化。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種近場(chǎng)均勻波束毫米波天線設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述口 面相位分布Φ (r)與焦點(diǎn)位置Zf的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：
其中：Φ (r)為口面相位分布，k為波數(shù)，r為口面徑向半徑。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種近場(chǎng)均勻波束毫米波天線設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述幅 度分布是以射線從饋源的es角出發(fā)到達(dá)期望的口面位置點(diǎn)&來(lái)實(shí)現(xiàn)，所述03與&應(yīng)滿 足以下關(guān)系：
式中，f(e)為饋源方向圖；P(r)為口面功率密度分布；Os為副反射面對(duì)饋源的截獲 角；Ra為口面半徑。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK104377457SQ201410715818
【公開(kāi)日】2015年2月25日 申請(qǐng)日期:2014年12月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月1日
【發(fā)明者】徐剛, 余川, 孟凡寶, 屈勁, 陳世韜, 施美友, 薛長(zhǎng)江 申請(qǐng)人:中國(guó)工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所