[发明专利]一种通过多焦点相位分布的平面透镜波束扫描天线系统与方法

说明书

本发明公开了一种通过多焦点相位分布的平面透镜波束扫描天线系统与方法，平面透镜天线，所述平面透镜天线包括相位调制层、设置于所述相位调制层上的耦合层及设置于所述耦合层上的极化转化层；馈电天线，基于射线追踪法利用多焦点相位分布来补偿由于馈源的水平位置改变而导致的透射相位的相位误差，实现大角度波束扫描，该透镜波束扫描天线支持喇叭天线、开关阵列天线和有源/无源相控阵天线馈电，通过双极化馈电天线实现双极化辐射功能，结合已申请专利《一种相位可覆盖3600且可实现极化转化功能的透镜单元》中的可实现相位调制和极化转化功能的透镜单元结构。根据本发明，能够在大角度扫描时对空间相位补偿，减小相位误差，提高大角度扫描增益，使得透镜天线系统具有大角度波束扫描能力，同时具备多波束和多子域工作能力。

技术领域

本发明涉及透镜和相控阵的技术领域，特别涉及一种通过多焦点相位分布的平面透镜波束扫描天线系统与方法。

背景技术

平面透镜天线具有低剖面、低成本和易于集成的特点，应用于无线通信系统中具有非常巨大的优势，而5G/6G等新一代无线通信、卫星通信、物联网等领域通常要求阵列天线具有高增益和大角度波束扫描的能力，尤其是面向无线接入、无线回传和卫星通信终端等应用，为了满足卫星通信和5G/6G 陆基移动通信基站对高增益、高方向性、窄波束和大角度扫描的需求，通常需要过百个有源相控阵天线通道，这使得整个天线和射频前端的造价非常昂贵、系统效率低，同时在有限空间内密集地集成大规模有源相控阵收发通道使得系统级散热成为另一个严重的问题。

目前最常见使用平面透镜天线实现波束扫描的方法是使用喇叭作为馈源在焦平面移动来实现波束扫描，但这种移动方式具有增加透镜剖面，需要斜入射以及机械扫描装置复杂等问题；另一种方法是使用喇叭作为馈源在水平面移动来实现透镜天线波束扫描，这种移动方式具有降低透镜剖面，不需要斜入射以及机械扫描装置简单等优点，但由于喇叭移动方式的改变使其相位误差增加，增益下降严重，导致透镜天线无法实现大角度扫描。

发明内容

针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的是提供一种通过多焦点相位分布的平面透镜波束扫描天线系统与方法，能够在大角度扫描时对空间相位补偿，减小相位误差，提高大角度扫描增益，使得透镜天线系统具有大角度波束扫描能力，同时具备多波束和多子域工作能力。为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，提供了一种通过多焦点相位分布的平面透镜波束扫描天线系统，包括：

平面透镜天线，所述平面透镜天线包括相位调制层、设置于所述相位调制层上的耦合层及设置于所述耦合层上的极化转化层,其中耦合层和极化转化层可根据天线工作极化需求添加，并不是必须存在；

馈电天线，所述馈电天线为电控伺服平面轨道移动喇叭馈源、射频开关电控的阵列天线、有源/无源相控阵天线中的一种，通过双极化馈电天线实现双极化辐射功能，且所述馈电天线通过RF输入和FPGA控制。

优选的，所述、射频开关电控的阵列天线包括n个并列的馈电天线组成。

一种通过多焦点相位分布的平面透镜波束扫描天线的方法，包括以下步骤：

S1、计算单焦点平面透镜相位分布水平位置改变时的透射相位，并通过泰勒公式展开得到一阶线性项；

S2、比较单焦点平面透镜相位分布透射相位和理想透射相位的相位误差，根据相位误差判断所需进行相位补偿的区域；

S3、采用交叉式多焦点透镜相位分布设计，每个焦点独立补偿对应透镜区域，通过调整优化焦点的焦距和位置可补偿透镜的相位；

S4、拟合平面透镜天线波束扫描方向图，验证是否满足预设计的波束扫描角度范围；

S5、计算平面透镜的相位分布图，使用选定或设计好的透镜单元结构，根据计算的理论相位分布图完成透镜阵面分布设计；

S6、通过馈电天线进行快速电控波束扫描。