1.Research Center of Applied Electromagnetics, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China 2.School of Electronic and Information Engineering, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China
Fund Project:Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 61971231)
Received Date:13 September 2020
Accepted Date:04 October 2020
Available Online:27 October 2020
Published Online:05 November 2020
Abstract:To realize near-field target localization and power transfer, an adaptively focusing antenna array is proposed. When a passive target is localized within the near-field zone of an array antenna, the optimal excitation distribution for focusing power onto the object can be obtained by solving an eigenvalue equation, which is established with the tested scattering parameters of the array antenna network. We randomly preset a number of targets with various shapes, materials and positions in the near-field zone, and the corresponding electric field focusing distribution is consistent with the preset target positions. Hence, the proposed near-field adaptively focusing array antenna can automatically focus its radiation onto any target, and such a feature can realize the target localization, tracking and power transfer in the near-field zone of the array antenna. Keywords:adaptive antenna/ focusing array antenna/ target localization
设计了中心工作频率为2.45 GHz的阵列天线单元, 其结构为双层介质基板结构, 如图1(a)所示. 通过商业软件进行天线单元的结构优化设计, 几何尺寸分别为: a = 42.5 mm, b = 41.5 mm, w = 13.5 mm, g = 5.0 mm, d = 13.5 mm和h = 5.0 mm. 两层介质基板均为FR-4, 厚度为1.6 mm, 相对介电常数为4.4, 损耗角正切为0.02. 在阵列天线单元设计基础上, 选择了7个阵列天线单元进行对称线形布阵, 中间天线单元作为接收天线, 记为Rx1, 其余阵列天线单元为发射天线, 分别记为Tx1, Tx2, Tx3, Tx4, Tx5和Tx6. 为了增加发射天线单元与接收天线单元之间的隔离度, 将Tx3与Rx1, Tx4与Rx1之间的间距设置为140 mm, 其余相邻发射天线单元间距均为80 mm, 制备的线形阵列天线实物如图1(b)所示. 图 1 (a) 阵列天线单元结构; (b) 线形阵列天线实物 Figure1. (a) Structure of the array antenna element; (b) photo of the linear array antenna.
图2(a)和图2(b)分别为阵列天线单元的回波损耗和增益方向图, 可以看到, –10 dB阻抗匹配带宽为2.34—2.64 GHz, 半功率波束宽度为 ±36°, 能有效满足线形阵列天线在较大的横向近场区域内实现电场聚焦扫描. 图 2 阵列天线单元的(a)回波损耗和(b)增益方向图 Figure2. (a) Return loss and (b) gain pattern of the array antenna element.
3.结果与分析为了验证上述发射阵列天线的自适应聚焦工作原理, 采用如图1(b)所示的直角坐标系, 将金属方体随机预置于天线上方的某高度的多个坐标位置(x, y, z): 位置1 (–220 mm, 0 mm, 480 mm), 位置2 (–70 mm, 0 mm, 480 mm)和位置3 (0 mm, 0 mm, 480 mm). 通过矢量网络分析仪检测了金属方体置于不同位置时的7端口网络电磁散射参数${{{S}}_{{\rm{rt}}}}$, 分别如图3(a)、图3(b)和图3(c)所示. 将2.45 GHz的电磁散射参数代入(1)式求解, 获得最大功率传输效率${T_{{\rm{array}}}}$对应的发射阵列天线激励分布${{{a}}_{\rm{t}}}$, 如表1所列.
No.
Position-1
Position-2
Position-3
1
0.385, ∠53°
0.313, ∠56°
0.320, ∠16°
2
0.211, ∠–72°
0.276, ∠–73°
0.147, ∠–10°
3
0.593, ∠–26°
0.737, ∠–45°
0.657, ∠–116°
4
0.583, ∠–48°
0.407, ∠–14°
0.524, ∠–111°
5
0.315, ∠–147°
0.326, ∠–139°
0.222, ∠–9°
6
0.127, ∠0°
0.110, ∠0°
0.346, ∠0°
表1不同目标位置条件下的聚焦天线激励分布(幅值、相位) Table1.Excitations (amplitude, phase) of the focusing array antenna for target at various positions.
图 3 不同目标位置条件下的测试散射参数 (a) 位置1; (b) 位置2; (c) 位置3 Figure3. Measured scattering parameters for target with various positions at (a) position-1, (b) position-2 and (c) position-3.
基于射频相移衰减电路构成的可调谐馈电网络实现了表1所列出的发射阵列天线激励分布, 并在近场测试平台上加载到发射阵列天线上, 测试了预置目标水平面上的归一化电场分布. 测试平台包括了数字可控位移平台、矢量网络分析仪、电场探头和可调馈电网络, 分别如图4(a)和图4(b)所示. 图 4 归一化电场测试 (a) 测试平台; (b) 可调谐射频馈电电路 Figure4. (a) Measurement setup of the normalized electrical field and (b) the corresponding tunable radiofrequency feeding circuit.
目标置于不同位置时所测试的归一化电场分布分别如图5(a)、图5(c)和图5(e)所示. 为了对比, 建立了与实验模型相一致的数值仿真模型, 即电磁散射参数和电场分布均由电磁仿真获得, 仿真所得到的归一化电场分布分别如图5(b)、图5(d)和图5(f)所示. 图5中所标虚线框代表了预置金属方体的形状和在水平面上的位置. 从仿真和实际测试的归一化电场分布图中均可以看到, 归一化电场的聚焦位置与目标预置位置能很好地符合. 实验结果表明, 通过检测本地收发天线单元之间的电磁散射参数, 可以将发射阵列天线辐射的电场自动聚焦到近场区域内的无源目标位置, 从而实现目标的定位和能量传递. 这种阵列天线自适应聚焦的物理本质是利用接收天线感知近场目标的电磁散射信息, 从而作为优化发射阵列天线激励分布的反馈信号. 图 5 在(a) 位置1、(c) 位置2、(e) 位置3的归一化电场测试分布; 在(b) 位置1、(d) 位置2、(f) 位置3的归一化电场仿真分布 Figure5. Tested normalized E-field distributions for the target locating at (a) position-1, (c) position-2 and (e) locations-3. Simulated normalized E-field distributions for the target locating at (b) position-1, (d) position-2 and (f) position-3.
为了分析近场目标的形状对阵列天线自适应聚焦性能的影响, 将金属方体替换为金属圆柱体(底面半径为50 mm, 高为100 mm)和金属三棱柱体(底面边长为150 mm, 高为100 mm)进行研究. 同样将目标预置于线形阵列天线上方某高度水平面上不同的位置(包括上述3个位置以及增加了位置4 (–140 mm, 0 mm, 480 mm)), 图6给出了仿真模型对应的归一化电场聚焦分布. 从图6可以看到, 不同形状的金属目标预置在不同位置, 发射阵列天线均能在对应的位置处产生电场聚焦效应, 从而实现多种形状的目标定位和能量传递. 图 6 归一化电场仿真分布 (a) 位置1 (金属圆柱); (b) 位置4 (金属三棱柱); (c) 位置2 (金属圆柱); (d) 位置3 (金属三棱柱) Figure6. Simulated normalized E-field distributions for various targets locating at (a) position-1 (metal cylinder), (b) position-4 (metal tri-prism), (c) position-2 (metal cylinder) and (d) position-3 (metal tri-prism).