毫米波天线阵近场电磁波的汇聚与调控研究

【摘要】：天线一般关注其远区的辐射特性。然而在某些特定应用场合,如无线输能、近场探测、射频识别、近场高速无线通信、微波医疗和微波成像等领域,目标位于天线工作的近场区,需要将辐射的电磁波能量汇聚在近场区域的特定位置来提升功率密度和减少干扰,该天线称为近场天线。不同于远场天线,近场天线波束赋形维度从(θ,φ)变为(x,y,z),极化变为三维矢量极化(e_x,e_y,e_z)。近场天线不同阵元间存在非线性空间相位因子,波束赋形变为一个非线性的三维问题。该非线性特性导致近场天线阵无法提取公共阵因子,远场中通过阵因子直接调控实现波束扫描的方法失效,同时正交面独立赋形法也无法适用;该非线性的特性也将导致近场横向/纵向空域特性相互耦合,扫描特性难以独立调控。本文围绕天线近场空域辐射特性调控时,存在的非线性相位生成、多域相互耦合、多维扫描和多维极化难以独立调控等问题展开研究。论文主要研究了毫米波频段近场天线全息幅相生成、横向/纵向空域特性去耦、多维扫描和多维极化调控的相关机理和实现方法,做出的主要贡献包含:1.近场天线不同阵元间存在非线性空间相位因子,在天线口面上需要独立的幅度和相位调控能力。近场聚焦所需相位为平方律分布,具有非线性变化的特点;近场聚束所需幅相为贝塞尔函数分布,具有非线性剧烈震荡特点。针对这些问题,本文提出了近场天线幅相去耦调控方法。基于漏波和驻波串馈天线阵中单元位置排布和偏移量的独立控制实现了对幅相的去耦调控。基于该幅相去耦调控方法,分别实现了近场二维聚焦的高效率漏波天线阵和高横向线极化纯度的贝塞尔无衍射波束天线阵。2.针对天线近场空域辐射特性调控时存在横/纵空域相互耦合、难以实现单一维度独立调控的问题,本文提出了主动共形天线波束赋形方法。通过三维蜿蜒馈线引入了全新相位调控维度,采用三维布局的方式设计馈电结构,来突破传统幅相调控能力限制,解决了横/纵空域特性独立调控难题。针对三维蜿蜒传输线传播相位变化和阻抗特性失配的问题,提出了三维蜿蜒基片集成波导的传播特性分析和调控方法。在此基础上,实现了焦点大范围等高扫描的主动共形天线阵,大大减弱了焦斑在横向扫描中伴随的纵向高度变化,相比于平面馈线可在同等纵向变化下扩大8倍横向扫描范围。3.近场天线阵的非线性特性导致无法提取公共阵因子,远场中通过阵因子直接调控实现波束扫描的方法失效,同时正交面独立赋形法也无法适用。针对这一问题,本文提出了近场天线全息相位分解法,将非线性全息相位中二维独立因子和二维相关因子分离出来。在精准生成近场全息相位的前提下,可以实现两个维度上相位的独立控制,进而实现了焦斑位置的二维扫描。在此基础上,结合近场全息调制的漏波天线阵和修正的无源多波束网络,实现了近场聚焦和近场聚束的二维相/频扫描。4.近场聚焦所需的非线性平方律相位分布具有非线性剧烈变化的特点,单一的相位调制方式会随着天线口径增大面临剧烈变化的问题。针对这一问题,本文提出了一种新型脊波导调制方法,通过脊高度调制实现波导内传播相位的调控,引入新的调控维度,解决了仅依赖单元位置和传输线宽度调制带来的单元稀疏和难以二维组阵的问题。脊高度的调制局限在波导内部,从而保证了阵列二维扩展性。在此基础上,结合不等长的聚焦渐进移相网络和紧凑的自渐进移相网络,实现了两款近场焦点的全二维频扫天线。该天线仅通过频域信号实现了近场二维区域的完整探测。5.近场天线波束赋形因其维度从(θ,φ)变为(x,y,z),极化变为三维矢量极化(e_x,e_y,e_z),存在三维波束成形的难题。针对这一问题,本文提出了一种近场聚焦相控阵天线三维波束成形方法,实现了焦点的三维极化配置和聚焦三维空间位置的快速精准确定。通过阵面内正交极化单元在天线近区的矢量综合,实现三维极化配置;利用机器学习构建近场相控阵天线馈电幅相预测模型,实现焦点位置的快速精准确定。系统研究了近场有源相控阵天线的三维极化配置和三维精准扫描,并完成了实验验证。