[发明专利]一种频率控制的波束/焦点扫描平面反射阵/反射镜

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术、雷达技术、成像技术领域，具体涉及一种可有效降低波束扫描阵列/成像系统成本和复杂度的电扫描平面反射阵列天线及反射镜，适用于通信，雷达或成像系统中。

背景技术

随着当代通信技术的飞速发展，具有聚焦波束的天线扮演着越来越重要的角色。传统的聚焦波束天线主要有抛物面反射器和阵列天线两种，对于抛物面天线，其机身笨重，体积庞大，而且特殊的曲面难于制造，在更高频段上，由于电磁波波长更短，对加工精度的要求更高，使得加工难度更为明显。另外，它也难于实现宽角度的电波束扫描,只能采用笨拙的机械扫描方式，使得反应速度过慢，而难以追踪高速目标。

相控阵天线则利用对各个阵元激励幅度和相位的独立控制，能够快速灵活的进行电波束扫描，并且具有多目标搜寻、高速率跟踪的独特优势。但对于大型阵列，必然包含大量的收发组件和复杂的馈电网络，显然，越多的阵元就意味着越高昂的成本和越大的损耗及重量，使得对成本尤其看重的民用领域望而止步，一般在对性能要求很高的军事领域才会使用相控阵。

为了克服上述天线所固有的缺点，平面反射阵列天线应运而生，主要由初级馈源以及加载大量周期谐振单元的平面反射阵面组成。通过改变每个单元的尺寸，弥补由于初级馈源照射到阵面上波程差不同而引入的相位差，从而在预期出射方向上实现波束聚焦。平面反射阵列因其拥有的诸多优点而被广泛地发展和研究:平面结构易于加工和集成；只需一个收发组件即可对整个阵列进行馈电或接收，大大降低成本。因此平面反射阵列天线正逐渐取代传统高增益天线成为当前的研究热点问题，尤其在如何实现波束扫描这一方向上，国际上几个著名科研机构均投入了大量资源进行研究。

为了实现平面反射阵列的波束扫描，国内外众多专家学者进行了广泛而深入的研究。在二十世纪七十年代中期，Phelan提出一种“螺旋相位”反射阵列的概念，在圆极化反射阵的四臂螺旋或者十字偶极子单元中引入开关二极管来电扫描其主波束到很大的角度，将圆极化辐射单元旋转不同角度，它传播的电相位也随着旋转角度成比例地改变。通过开关二极管来激发不同的螺旋臂，从而能调整相位使在远场得到同相叠加的波束。然而，由于厚的螺旋腔(四分之一波长厚)和庞大的电子元件(二极管偏置电路)，螺旋相位反射阵依然庞大厚重。另外，因为螺旋天线固有的大尺寸和空间的特性，它的孔径效率仍然特别低。特别是在它工作频率的高频段，单元间距会远大于半个自由空间工作波长，导致的栅瓣极大地降低了天线效率。因此这种反射阵列天线形式在接下来的十年里也没有进一步研究。

1978年Malagisi首先提出了微带反射阵的概念，使得平面反射阵列的重量和加工复杂度大大降低，从此平面反射阵列进入高速发展时期。1995年，J.Huang等人提出采用微机电结构(MEMS)来调节辐射贴片的旋转角度以实现波束扫描，由于控制部件的复杂性较高，该方法尚且处于研究阶段，要投入实用还有一段距离。另一方面，该方法属于机械控制范畴，波束扫描的响应速度较慢，不太适宜追踪高速运动目标。2006年，M.R.Chaharmir等人提出一种光控电扫描反射阵列，通过控制每个单元后面对应光源的强度来调节半导体中的载流子浓度，间接改变了单元的反射相位。以上两种方法都对控制部件的加工要求较高，且采用的介质材料昂贵，不适宜大规模推广。

随着半导体技术的发展，高性能变容二极管也被用于调节平面反射阵列辐射单元的相位，使得阵列单元更加简单而且易于控制。2010年，L.Boccia等提出矩形贴片单元加载可变电容的方法实现波束扫描，并对单元的相位特性和损耗进行了比较系统的分析。研究表明，采用矩形贴片加载单个可变电容的方法所实现的相位延迟范围约为330度左右，而理论上要实现波束扫描的相位延迟范围为360度，因此引入的相位误差会导致阵列增益下降和波束指向偏离。同时，由于变容二极管内阻所产生的损耗大约在3dB左右，也大大降低了阵列的增益。同年，Chang Liu等人提出了开口双矩形环加载多个可变电容的方法，使得单元相位延迟范围达到500度左右，并具有较平滑的相位-电压特性，但单元中可变电容产生的损耗依然很大，其工作频段也只能限制在低频段。

在2010年，S.R.Rengarajan提出了一种通过改变初级馈源的位置来实现不同方向的波束扫描，但每次的波束扫描都要移动馈源的位置，这种机械扫描方式会导致稳定性下降且维护成本升高，且难以追踪高速目标。