本發(fā)明涉及陣列天線，具體為基于頭盔的半球形共形極化可重構(gòu)穿戴式稀疏陣列天線。

背景技術(shù)：

1、在以森林火災(zāi)為典型的緊急救援場景中，不同區(qū)域救援人員之間的高速、可靠和穩(wěn)定通信對于保證各種合作任務(wù)的執(zhí)行至關(guān)重要，這就要求可穿戴天線具有寬帶寬、可重構(gòu)極化以及足夠的增益和波束覆蓋范圍。

2、但在復(fù)雜的救援環(huán)境中，嚴(yán)重的散射效應(yīng)可能會(huì)導(dǎo)致電磁波的極化轉(zhuǎn)換，這還要求可穿戴天線具有極化多樣性或可重構(gòu)性。同時(shí)，需要較大的天線工作帶寬，以便在協(xié)同救援行動(dòng)中快速傳輸視頻、圖像和其他數(shù)據(jù)。為此，提出了基于頭盔的半球形共形極化可重構(gòu)穿戴式稀疏陣列天線。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的在緊急救援場景下，可穿戴天線所面臨的寬帶寬、可重構(gòu)極化和廣覆蓋范圍等問題，以應(yīng)對電磁波極化轉(zhuǎn)換和環(huán)境干擾的技術(shù)問題之一。為此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出基于頭盔的半球形共形極化可重構(gòu)穿戴式稀疏陣列天線。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、基于頭盔的半球形共形極化可重構(gòu)穿戴式稀疏陣列天線，包括十二個(gè)設(shè)置于半球形頭盔基座外表面的寬帶雙圓極化可重構(gòu)共形輻射天線元件；

4、其中，三個(gè)共形輻射天線元件設(shè)于頭盔頂部，沿主坐標(biāo)系的z軸旋轉(zhuǎn)對稱排列，且每個(gè)元件的法線方向與+z軸的夾角為θn，θn＝22；

5、九個(gè)共形輻射天線元件陣列分布于半球形頭盔的側(cè)底部，其法線方向均與z軸成65°角，通過對頂部三個(gè)共形輻射天線元件和底部任意相鄰兩個(gè)共形輻射天線元件進(jìn)行電氣切換，實(shí)現(xiàn)方位角360°的光束掃描范圍。

6、作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，頂部的三個(gè)共形輻射天線元件同時(shí)工作，形成一個(gè)固定波束，波束寬度優(yōu)化為40°×40°，側(cè)面底部的兩個(gè)相鄰元件形成90°×40°的波束寬度，總體波束覆蓋范圍為(θ,φ)＝(110°×360°)。

7、作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，以球心為原點(diǎn)建立全局坐標(biāo)系，計(jì)算所有相關(guān)輻射元件所需的相位關(guān)系，共形輻射元件位置的參數(shù)方程為：

8、

9、其中，rh是半球的半徑，φn和θn分別是第n個(gè)輻射元件的方位角和俯仰角，因此，第n個(gè)保角輻射元件的位置矢量為：

10、

11、作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，任何遠(yuǎn)場點(diǎn)p(θ,φ)在球面坐標(biāo)系下的歸一化位置矢量為：

12、

13、從源點(diǎn)on到場點(diǎn)p的距離與從原點(diǎn)o到p的距離之差為：

14、dn＝οοn·rop

15、因此，第n個(gè)輻射元件所需的相位補(bǔ)償為：

16、δθn＝-2πdn/λ。

17、作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，共形陣列為2.6-3.4ghz的i?mbw范圍內(nèi)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)半空間覆蓋。

18、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

19、本發(fā)明通過在半球形頭盔基座外表面上設(shè)置十二個(gè)寬帶雙圓極化可重構(gòu)共形輻射天線元件，其中，頂部的三個(gè)元件同時(shí)工作，形成一個(gè)固定波束，波束寬度優(yōu)化為40°×40°。同樣，側(cè)面底部的兩個(gè)相鄰元件共同工作以提高增益，形成90°×40°的波束寬度。最終，通過在頂部三個(gè)元件和側(cè)底部任意相鄰兩個(gè)元件之間進(jìn)行電氣切換，可實(shí)現(xiàn)(θ,φ)＝(110°×360°)的總體波束覆蓋范圍。

技術(shù)特征：

1.基于頭盔的半球形共形極化可重構(gòu)穿戴式稀疏陣列天線，其特征在于，包括十二個(gè)設(shè)置于半球形頭盔基座外表面的寬帶雙圓極化可重構(gòu)共形輻射天線元件；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于頭盔的半球形共形極化可重構(gòu)穿戴式稀疏陣列天線，其特征在于：頂部的三個(gè)共形輻射天線元件同時(shí)工作，形成一個(gè)固定波束，波束寬度優(yōu)化為40°×40°，側(cè)面底部的兩個(gè)相鄰元件形成90°×40°的波束寬度，總體波束覆蓋范圍為(θ,φ)＝(110°×360°)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于頭盔的半球形共形極化可重構(gòu)穿戴式稀疏陣列天線，其特征在于：以球心為原點(diǎn)建立全局坐標(biāo)系，計(jì)算所有相關(guān)輻射元件所需的相位關(guān)系，共形輻射元件位置的參數(shù)方程為：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于頭盔的半球形共形極化可重構(gòu)穿戴式稀疏陣列天線，其特征在于：任何遠(yuǎn)場點(diǎn)p(θ,φ)在球面坐標(biāo)系下的歸一化位置矢量為：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于頭盔的半球形共形極化可重構(gòu)穿戴式稀疏陣列天線，其特征在于：共形陣列為2.6-3.4ghz的imbw范圍內(nèi)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)半空間覆蓋。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了基于頭盔的半球形共形極化可重構(gòu)穿戴式稀疏陣列天線，屬于陣列天線技術(shù)領(lǐng)域，包括十二個(gè)設(shè)置于半球形頭盔基座外表面的寬帶雙圓極化可重構(gòu)共形輻射天線元件；三個(gè)共形輻射天線元件設(shè)于頭盔頂部，沿主坐標(biāo)系的z軸旋轉(zhuǎn)對稱排列，且每個(gè)元件的法線方向與+z軸的夾角為θn，θn＝22°；其余九個(gè)元件均勻分布在半球形頭盔的側(cè)底部周圍，其法線方向均與Z軸成65°角。本發(fā)明可提高WBAN系統(tǒng)的增益、覆蓋范圍和方向靈活性。驗(yàn)證例與實(shí)驗(yàn)例的結(jié)果表明，共形可穿戴陣列在3GHz左右的兩個(gè)可重構(gòu)CP模式下，顯示出29.6％的重疊3dB軸向比帶寬和69.8％的?10dB阻抗帶寬。在110°×360°的較寬波束覆蓋范圍內(nèi)，兩種極化模式的增益均超過7.2dBi。

技術(shù)研發(fā)人員：高翔,唐文飛,郭鹍,徐子昂,卜祥元,安建平
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8