一种可拼接无源反射阵及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种可拼接无源反射阵及其设计方法，主要用于不同场景补盲需求下无源反射阵的设计。设计的可拼接无源反射阵由若干个平面反射阵单元组成阵列，该阵列包括“0”和“1”两类子阵。根据平均相位梯度原理，将M

【技术实现步骤摘要】
一种可拼接无源反射阵及其设计方法


[0001]本专利技术属于天线
，具体涉及一种可拼接无源反射阵及其设计方法，该方法可用于不同场景补盲需求下无源反射阵的设计。

技术介绍

[0002]随着现代通信发展，5G毫米波发展具备确定性和必要性，但5G毫米波技术的劣势也非常明显且被广泛认知，毫米波频率高带来损耗大且极易受到物体阻挡，且建筑物规模不同，多样化，有源基站发来的电波由于毫米波频段的传输损耗与绕射损耗，无法覆盖整个建筑物内的通信场景从而形成通信盲区。而依靠宏基站覆盖室内的难度太大，目前更多的是通过部署有源基站或者转发器来解决这一问题，但是这不仅会增加成本而且也会伴随着一系列繁琐的安装问题。因此，如何在不增加成本的情况下最大限度避免盲区，增大室内信号覆盖区域是当前急需解决的问题之一。
[0003]林先其等人在2017年申请的专利“室内毫米波信号增强系统”中，通过接收天线、低噪声放大模块以及发射天线等模块，实现将室外覆盖的毫米波信号进行有效放大，并传输到室内无线终端，改善建筑物内信号，使室内无线终端正常工作。但此方法仅能实现室外毫米波信号的放大，且应用场景有限，例如对于实际的T型或L型走廊通信场景中，通信盲区的情况依旧无法改善。
[0004]因此，目前的毫米波室内覆盖方法适用场景有限。对于特殊通信场景的补盲方法还有待改善。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种可拼接无源反射阵及其设计方法，以在不增加天线成本前提下，同时实现天线口径与波束指向的重构。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：一方面，本专利技术提供了一种可拼接无源反射阵的设计方法，包括如下步骤：
[0007]1)、确定可拼接无源反射阵的波束重构范围θ0≤θ≤θ1；
[0008]2)、根据可拼接无源反射阵的波束重构范围θ0≤θ≤θ1，设计“0”和“1”两类子阵，其中第一类“0”子阵是由若干个平面反射阵单元构成的m0×
n0阵列，波束指向为θ0；第二类“1”子阵是由若干个平面反射阵单元构成的m1×
n1阵列，波束指向为θ1；
[0009]3)、选定具体应用场景所需的可拼接无源反射阵波束指向θ，根据平均相位梯度原理，将M
s
个“0”子阵与N
s
个“1”子阵进行有序排列，组成反射阵阵列中最小周期行向量V
min
，其中M
s
和N
s
是大于等于0的整数，使得该最小周期行向量V
min
的主波束指向为θ；
[0010]4)、根据具体应用场景以最小周期行向量V
min
为单位分别在阵列的俯仰面和方位面进行扩展，得到所需大小的所述可拼接无源反射阵。
[0011]进一步地，2)中所述m0是“0”子阵在360
°
相位周期内方位面的平面反射阵单元个数，按下述式子求出：
[0012][0013]其中d是平面反射阵单元周期，P
g0
是相位梯度，其中k0为空间波数，θ0为设计的“0”子阵期望的波束指向；m0的选取原则是：选择使波束指向可以取到最接近θ0数值的整数值；
[0014]所述n0是“0”子阵沿俯仰面的平面反射阵单元个数，根据实际应用场景和加工条件设定；
[0015]所述θ0是“0”子阵的波束指向，是通过将m0代入下式得到：
[0016][0017]进一步地，2)中所述m1是“1”子阵在360
°
相位周期内方位面的平面反射阵单元个数，按下述式子求出：
[0018][0019]其中d是平面反射阵单元周期，P
g1
是相位梯度，其中k0为空间波数，θ1为设计的“1”子阵期望的波束指向；m1的选取原则是：选择使波束指向可以取到最接近θ1数值的整数值；
[0020]所述n1是“1”子阵沿俯仰面的平面反射阵单元个数，根据实际应用场景和加工条件设定；
[0021]所述θ1是“1”子阵的波束指向，是通过将m1代入下式得到：
[0022][0023]进一步地，3)中所述M
s
和N
s
通过下述平均相位梯度原则计算得出：
[0024]假设M
s
个“0”子阵与N
s
个“1”子阵拼接后的阵列V的总移相量为ψ
all
：
[0025]ψ
all
＝2π(M
s
+N
s
)
[0026]那么平均相位梯度定义为
[0027][0028]其中，m0和m1分别为“0”子阵和“1”子阵在360
°
相位周期内方位面的平面反射阵单元个数，d是平面反射阵单元周期，要使V的波束指向θ
i
逼近于目标波束θ，则需V的平均相位梯度逼近于目标波束θ的相位梯度P
gi
，即：
[0029][0030]可使ε等效为ε
′
：
[0031][0032]使得ε
′
趋近于0，则V的波束指向逼近于目标波束指向θ，当ε
′
足够小，存在解M
s
和N
s
，则一定存在kM
s
和kN
s
，取M
s
+N
s
最小值时为最终解，M
s
个“0”子阵与N
s
个“1”子阵可以有多种排列方式，计算各种排列方式的阵列方向图选取波束指向误差最小以及副瓣最小的排列
方式为最小周期行向量V
min
。
[0033]进一步地，4)中所述以最小周期行向量V
min
为单位向方位面和俯仰面扩展，是指根据实际应用场景沿方位向和俯仰向拼接任意多的最小周期行向量V
min
，构成反射阵：
[0034]另一方面，本专利技术提供了一种可拼接无源反射阵，其由上述任一所述可拼接无源反射阵的设计方法设计而成。
[0035]本专利技术与现有技术相比具有以下优点：
[0036]第一，本专利技术可适用于不同场景的补盲需求，相对于现有的通过架设有源基站或搭建复杂馈电网络系统的方法来讲，本专利技术可以节约成本并提高复杂建筑物内毫米波信号的覆盖能力。
[0037]第二、相较于现有技术提出的口径和波束指向已经固定的无源反射阵而言，本专利技术设计灵活度更高、更易于生产推广。
[0038]第三，本专利技术的可拼接无源反射阵通过改变“0”子阵和“1”子阵拼接方式实现波束可重构及口径重构，不需要额外加载电源，避免了复杂的馈电网络设计，简化了安装复杂度，降低了工人安装难度。
附图说明
[0039]图1为本专利技术可拼接无源反射阵的口径可重构(A)与波束可重构(B)示意图；
[0040]图2为本专利技术可拼接无源反射阵的设计流程图；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可拼接无源反射阵的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：1)、确定可拼接无源反射阵的波束重构范围θ0≤θ≤θ1；2)、根据可拼接无源反射阵的波束重构范围θ0≤θ≤θ1，设计“0”和“1”两类子阵，其中第一类“0”子阵是由若干个平面反射阵单元构成的m0×
n0阵列，波束指向为θ0；第二类“1”子阵是由若干个平面反射阵单元构成的m1×
n1阵列，波束指向为θ1；3)、选定具体应用场景所需的可拼接无源反射阵波束指向θ，根据平均相位梯度原理，将M
s
个“0”子阵与N
s
个“1”子阵进行有序排列，组成反射阵阵列中最小周期行向量V
min
，其中M
s
和N
s
是大于等于0的整数，使得该最小周期行向量V
min
的主波束指向为θ；4)、根据具体应用场景以最小周期行向量V
min
为单位分别在阵列的俯仰面和方位面进行扩展，得到所需大小的所述可拼接无源反射阵。2.根据权利要求1所述的可拼接无源反射阵的设计方法，其特征在于，2)中所述m0是“0”子阵在360
°
相位周期内方位面的平面反射阵单元个数，按下述式子求出：其中d是平面反射阵单元周期，P
g0
是相位梯度，其中k0为空间波数，θ0为设计的“0”子阵期望的波束指向；m0的选取原则是：选择使波束指向可以取到最接近θ0数值的整数值；所述n0是“0”子阵沿俯仰面的平面反射阵单元个数，根据实际应用场景和加工条件设定；所述θ0是“0”子阵的波束指向，是通过将m0代入下式得到：3.根据权利要求1所述的可拼接无源反射阵的设计方法，其特征在于，2)中所述m1是“1”子阵在360
°
相位周期内方位面的平面反射阵单元个数，按下述式子求出：其中d是平面反射阵单元周期，P
g1
是相位梯度，其中k0为空间波数，θ1为设计的“1”子阵期望的波束指向；m1的选取原则是：选择使波束指向可以取到最接近θ1数值的整数值；所述n1是“1”子阵沿俯仰面的平面反射阵单元个数，根据实际...

【专利技术属性】
技术研发人员：李龙，马培，孔旭东，曾宇鑫，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：