[发明专利]一种现场可编程漏波天线及其设计方法

说明书

本发明公开了一种现场可编程漏波天线及其设计方法，所述的天线由多个辐射单元连接组成，射频信号从天线的两端馈入，激发天线上的准TEM导波模式，在导波行进的过程中于每个辐射单元相互作用而产生对外辐射，所有单元的辐射叠加构成了天线的总体辐射场，每个辐射单元上集成了两个并联的开关二极管。二极管的导通和截止会使得单元产生两种辐射状态。通过独立控制所有单元的导通和截止状态，即可实现对天线总场的调控。本发明使用离散的编码分布来控制天线的辐射场，由FPGA输出的数字电压信号驱动天线的编码切换，实现了天线与数字电路的直接集成，大大降低了系统的复杂度和成本。

技术领域

本发明涉及低剖面的现场可编程漏波天线，具体涉及一种现场可编程漏波天线及其设计方法。

背景技术

可重构天线可用于多种波束赋形的应用场合，比如5G移动通信、无人汽车、无人飞机以及智能物流等领域。但当前大多数可重构天线的激励源多采用照射源，即利用喇叭等激励源照射有源天线口面，形成可重构的反射波束或透射波束。这会导致整个天线装置体积和重量较大，不便于实际应用。

在漏波天线的设计上方面，首先漏波是指导波结构所支持的行波在行进过程中产生的辐射电磁波。设计合适的导波结构可以控制漏波的辐射行为，据此所设计的天线称为漏波天线，漏波天线具有波束随频率变化而在空间扫描的特性。但在许多应用场合，需要波束在固定频率进行扫描，比如在通信应用中。因此，很多有源的设计方法被引入到漏波天线中，比如在导波结构中加载可变电容、液晶等等，通常这些所用到的有源天线口面多采用渐变重构的方式(如采用电压驱动可变电容或液晶)，使得驱动电路非常复杂，增加了天线的成本，对使用也造成了不便。采用1-比特数字离散状态控制的方法，可以极大降低天线的复杂度和制作成本，且在实际应用中可以被数字信号直接驱动，便于系统集成。所谓1-比特数字离散是指，漏波天线由周期的单元结构组成，每个单元可以在外加数字电压的驱动下产生两种辐射状态，分别记为“0”和“1”。此时，天线的整体辐射性能有所有单元的辐射叠加产生，即天线的辐射场由天线口面的数字编码组合所决定。在设计这种现场可编程漏波天线时，编码的选取起着决定性作用，不同的编码对应不同的辐射场。实际应用中，往往已给定了远场的需求，此时就需要从远场反向综合出其对应的编码。由于编码的组合是一个巨大的数字，每一种编码在商用的仿真软件中都要耗费大量的时间，因此不可能通过穷举来得到目标编码。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术的不足，本发明提供一种现场可编程漏波天线及其设计方法，实现了激励源与有源口面的超低剖面集成，并且通过天线与数字电路的直接集成，大大降低了系统的复杂度和成本。

技术方案：一种现场可编程漏波天线，所述的天线由两个或者两个以上的辐射单元组成，所述的辐射单元结构集成在多层印制电路板上，所述的电路板包含三层金属层和两层介质层，所述的金属层和介质层交替设置，所述的辐射单元上集成设置有开关二极管。

进一步的，所述金属层分别设置在电路板的顶层、中层和底层，所述的顶层金属层为直流馈电结构，所述的中间金属层为一层隔离地。

更进一步的，所述的中层与顶层金属结构层构成导波结构；

更进一步的，所述的顶层金属层通过金属通孔与底层的扇形圆心相连。

本发明还对上述的一种现场可编程漏波天线的设计提供如下方法，主要包括以下步骤：

(1)建立单元特性数据库：首先利用传输矩阵来分析作为激励源的行波的特性，并且利用仿真软件进行仿真，建立辐射单元特征数据库；

(2)编码整体优化迭代：首先对遗传算法进行初始化，生成初始化种群(即编码群)，然后利用T矩阵方法获得每种编码所对应的远场，并与适应度函数进行比较，选出逼近程度更高的编码，采用遗传算法中的交叉、变异操作生成下一代种群，重复上述步骤进行迭代，直到满足收敛条件。

进一步的，步骤(1)所述的传输矩阵表达式如下：