WO2025139123A1 一种多频多极化宽波束扫描基站系统及优化设计方法 （北京航空航天大学）

(43)国际公布日(10)国际公布号(51)国际专利分类号：(21)国际申请号：PCT/CN2024/120999(30)优先权：202311832923.92023年12月28日(28.1(71)申请人：北京航空航天大学(BEIHANG院路37号100191(CN)。(72)发明人：谢宇杰(XIE,Yujie);中国北京市海淀区学院路37号100191(CN)。王正鹏(WANG,Zhengpeng);中国北京市海淀区学院路37号100191(CN)。(74)代理人：北京科迪生专利代理有限责任公LTD.);中国北京市海淀区中关村大街27号607室100080(CN)。(81)指定国(除另有指明，要求每一种可提供的国家保护):AE,AG,AL,AM,AO,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BH,BN,BR,BW,BY,BZ,CA,CH,CL,CN,CCV,CZ,DE,DJ,DK,DM,DO,DZ,EC,EEGB,GD,GE,GH,GM,GT,HN,HR,HU,ID,IR,IS,IT,JM,JO,JP,KE,KG,KH,KN,KP,KLA,LC,LK,LR,LS,LU,LY,MA,MD,MGMU,MW,MX,MY,MZ,NA,NG,NI,NO,NZ,(54)Title:MULTI-FREQUENCYM(54)发明名称：一种多频多极化宽波束扫描基站系统及优化设计方法图1|98厘米(57)Abstract:Thepresentinventionrelatestothefieldofhigh-ratemobilewirelesscommunications.Disclosedareamulti-frequencymulti-polarizedwide-beamscanningbasestationsystem,andanoptimizationdesignmethod.Themethodcompfundamentalmodebeam,andponaperiodicstructure,[见续页]PE,PG,PH,PL,PT,QA,RO,RS,RU,RW,SASE,SG,SK,SL,ST,SV,SY,TH,TJUA,UG,US,UZ,VC,VN,WS,ZA,ZM(84)指定国(除另有指明，要求每一种可提供的地区NA,RW,SC,SD,SL,ST,SZ,TZ,UG,ZM,ZW),欧亚BG,CH,CY,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,FR,GBHU,IE,IS,IT,LT,LU,LV,MC,ME,MK,MTPL,PT,RO,RS,SE,SI,SK,SM,TR),OAPI(BFCG,CI,CM,GA,GN,GQ,GW,KM,ML (57)摘要：本发明公开了一种多频多极化宽波束扫描基站系统及优化设计方法，涉及移动高速率无线通信领域，包括：依据口面场展开和模式耦合理论，设计能够辐射高斯基模波束的圆锥喇叭馈源天线，提供稳定的波束宽度和相位中心；设计以周期结构为基础的波束分离器件，包含带通频率选择表面和线极化栅；合成多频多极化通道的前端准光链路以扩大基站天线带宽和通信速率；本发明结合遗传优化算法与反射面赋形有效减小双反射面天线遮挡效应与扫描角度的矛盾，实现倍增波束扫描角度。1WO2025/139123说明书技术领域[0001]本发明涉及移动高速率无线通信领域，尤其涉及一种多频多极化宽波束扫描基站系统及优化设计方法。背景技术[0002]20世纪80年代末，随着数字通信技术的发展，移动通信技术逐渐开始普及。目前，第五代移动通信系统(5G)已经开始商用。5G技术的优点包括更高的速度、更低的延迟、更大的带宽、更好的网络可靠性和安全性，以及更好的能源效率。高速率移动通信基站天线技术对5G甚至6G的推广将起到举足轻重的作用。准光技术是一种利用毫米波进行无线通信的技术，它结合了光通信和微波通信的特点，在工程中用于波束定向传播、波束赋形和空间滤波。准光技术基于光学原理，利用微波和毫米波频率范围内的电磁波进行波束成形和构成波束定向系统。目前准光系统已在雷达系统、卫星通信和无线通信网络等领域中得[0003]当前移动通信基站天线技术存在以下难点：传输速率较低，在毫米波频段未能实现大带宽；在毫米波频段损耗较大；波束扫描极限角度很小，跟踪移动目标能力很差。[0004]鉴于此，有必要提出一种多频多极化宽波束扫描基站系统及优化设计方法。[0005]为解决上述技术问题，本发明提供一种多频多极化宽波束扫描基站系统及优化设计方法，以扩大现有基站带宽同时降低传输损耗，并提升波束扫描功能。本发明由45GHz、100GHz和220GHz的圆锥波纹喇叭作为波束产生器件，辐射基模高斯波束，作为初始信号的馈源。圆锥波纹喇叭作为光滑内壁圆锥喇叭的改良，能够显著的减少喇叭金属边缘的绕射效应，同时可以优化方向图的轴对称性，并减少喇叭内部的交叉极化。2WO2025/139123[0006]在一般情况下，由圆波导馈送的电磁波为TEn主模，经过模式转换段后转化为HE₁模，这是一种电磁平衡模式，圆锥波纹喇叭良好的辐射性能正源于此。[0007]由线极化栅和45GHz、220GHz通道的波束分离与合成。线极化栅能够分离或合成垂束，从而实现多极化的设计需求。线性极化栅的结排布在垂直平面上构成。频率选择表面是一种对电磁构，通常具有二维周期性结构，由多个周期性的金属导体或电介质阵列组成。利用弗洛凯(Floquet)周期边界理论可以快速且精准的通过有限时将各个波束通道折叠汇聚，从而控制整体链路体积。根据的ABCD波束转移矩阵，可快速的计算出射波束的各种参数金属表面，支持系统的大带宽特性。利用物理光学算法(PO)可快速仿真波束体链路的最后一个准光器件，汇聚了所有波束通道并3WO2025/139123PCT/CN2024/120999叭，模式转换段波槽深度由λ/2逐渐变换到λ/4,其中入为馈源中心波长；以及辐射高斯波束的束腰为We,喇叭口面半径为，wc/a=0.644时近场能量分布与高斯基模耦合程度达到98%,能够提供稳定的相位中心和波束宽度，用于后续准光链路设计，提供高速率通信。[0017]进一步地，所述波束汇聚器件包括：高精度表面的椭球反射镜，利用椭球面镜的ABCD波束转移矩阵和波束匹配条件R₁=R,其中R₁为入射焦点到反射点的距离，Rm为入射波束曲率半径，将各通道波束汇聚折叠且保持小畸变量，实现系统体积的可控性。[0018]进一步地，所述波束分离器件包括：45GHz、220GHz带通频率选择表面和线极化栅；通过依据弗洛凯(Floquet)定理的带通频率选择周期性表面实现多频波束的分离与合成，通过线极化栅实现双极化波束的分离与合成，使波束通道[0019]进一步地，所述波束扫描器件包括：以卡塞格伦天线结构为原型的大口面反射面天线，利用等效馈源小于4cm的偏焦移动结合物理光学仿真方法实现大于或等于20deg的波束扫描角度。[0020]本发明还提供一种多频多极化宽波束扫描基站系统的优化设计方法，包括如下[0021]S1、测量前端准光链路输出波束的束腰宽度和等效束腰位置，作为反射面天线的等效高斯馈源；[0022]S2、利用傅里叶级数将主反射面母线进行有限项展开，在本发明中取前11项展开系数足以满足仿真精度；[0023]S3、利用编程语言在电磁仿真软件中实现建模仿真，大大提升系统的仿真优化[0024]S4、根据目标扫描角度、等效馈源位置和等效束腰宽度设定适应度函数，适应度函数主要依靠于仿真分析得出的E面方向图的目标扫描角度区间的能量占比；[0025]S5、利用遗传算法与电磁仿真分析不断调整傅里叶展开系数，遗传算法是一种启发式算法，通过模拟生物进化过程来解决优化问题。它是基于自然选择和遗4WO2025/139123传学的基本原理，通过模拟自然界的进化过程，使种群中段，极大扩大了现有基站的带宽；损耗低，前端磁波在自由空间于金属反射面之间传播；波束扫描角对反射面进行赋形优化，缓解了副反射面的遮挡效应和附图说明[0036]图中的附图标记含义为：1为H极化100GHz馈源，2为H极化220GHz馈源，3为45GHz馈源，7为H极化100GHz馈源汇聚反射镜组，8为H极化220GHz馈源汇聚反射镜组，9为H极化45GHz馈源汇聚反射镜组，10为V镜组，13为H极化220GHz带通频率选择表面，14为H极化45GHz带通频率选择面，17为V极化多波束汇聚镜，18为H5WO2025/139123具体实施方式例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其[0039]本发明的基本原理结构如图1所示。馈源采用45GHz、100GHz和22波纹喇叭，以提供初始的高斯波束。所述馈源包括H极化100GHz馈源1、H极化220GHz馈源2、H极化45GHz馈源3、V极化220GHz馈源4、V极化100GHz馈源5、V极化45GHz馈源6。三种45GHz、100GHz和220GHz圆锥波纹喇叭的准确的计算。H极化100GHz馈源1、H极化220GHz馈源2、H极化45GHz馈源3、V极化220GHz馈源4、V极化100GHz馈源5、V极化45GHz馈源6发出高斯波束之后，随后皆进入一组反射镜系统，所述反射镜系统包括H极化100GH汇聚反射镜组7,H极化220GHz馈源汇聚反射镜组8,H极化45GHz馈源汇聚反射镜组9,V极化100GHz馈源汇聚反射镜组10,V极化220GHz馈源汇聚反射镜反射镜组7,H极化220GHz馈源汇聚反射镜组8,V极化100GHz馈源汇聚反射镜组10,V极化220GHz馈源汇聚反射镜组11后进入220GHz带通频率选择表面，通化45GHz馈源汇聚反射镜组9,V极化45GHz馈源汇聚反射镜组12的45GHz波束进入到45GHz带通频率选择表面，通过45GHz带通传输路径合成。之后进入线极化栅，将H极化与V极化的波束路径合成，实现通道数量的加倍。最后，将所有频率通道和所有极化通道6WO2025/139123和同一方向统一馈入到反射面天线之中。最终由反[0040]下面具体说明6通道信号的传输过程：H极化100GHz信号经H极化100GHz馈源1发射，之后进入H极化100GHz馈源汇聚反射镜组7,之后依次经过H极化220GHz带通频率选择表面13和H极化45GHz带通频率选择表面14,之后经过H极化多波束汇聚镜18,最后经过线极化栅19馈入终端反射面天220GHz信号经H极化220GHz馈源2发射，之后进入H极化220镜组8,之后依次经过H极化220GHz带通频率选择表面13和H极化45GHz带通频率选择表面14,之后经过H极化多波束汇聚镜18,最后经过线极化栅19馈入终45GHz馈源汇聚反射镜组9,之后经过H极化45GHz带通频率选择表面14,之后经过H极化多波束汇聚镜18,最后经过线极化栅19馈入终端反射面天线20。V极射镜组10,之后依次经过V极化220GHz带通频率选择表面15和V极化45GHz带通频率选择表面16,之后经过V极化多波束汇聚镜17,最后经过线极化栅19馈入终化220GHz馈源汇聚反射镜组11,之后依次经过V极化220GHz带通频率选择表面15和V极化45GHz带通频率选择表面16,之后经过V极化多波束汇聚镜17,最后发射，之后进入V极化45GHz馈源汇聚反射镜组12,之后经过V极化45GHz带通频率选择表面16,之后经过V极化多波束汇聚镜17,最后经过线极化栅19馈入终面场分布，这是与高斯传输模式耦合的基础。在准喇叭作为馈源，其可以辐射近似的高斯波束。模式转换段波槽深度由x/2逐渐变换到X/4,之后维持X/4不变，其中入为馈源中心波长。图2中，L₁为模式转换7WO2025/139123这些高斯模式彼此之间正交，故可以作为口面场展光轴的近轴光束电场总可以扩展为这些模式的叠就可以很好的展开原始电场，在某些情况下，仅的耦合系数。在圆锥波纹喇叭中，wo/a=0.644时近场程度高达98%,能够提供稳定的相位中心和波束宽度，其中，辐射高斯波束的束腰为0,喇叭口面半径为“。各频率喇叭参数详见表1。表1中f为圆锥波纹喇叭[0044]45GHz,100GHz和82025/139123束腰理论值/53束腰测量值/333相位中心与喇叭口面基本重合，这样设计的高斯馈源的系统级设计。相位中心和喇叭口面非完全重合的原因是高斯基模与圆锥波纹喇叭的能量耦合系数非100%。频率选择表面的周期性图3所示。利用弗洛凯(Floquet)周期边界理论可以快速且精准的通过有限时域差分法(FDTD)算法计算频率选择表面的频率响应特性。在电磁学中的弗洛凯(Floquet)定理可以推广某一截面的场与相距一定空间周期的另一截面的场只差了频率选择表面(FSS)的详细参数。Ts为周期单元边长，H₁为短边边长，H₂表3在准光链路系统中，考虑到光路布局和元器件的摆放位到频率选择表面。设置TE波为激励信号入有效增加了带宽。45GHz频率选择表面-10dB带宽约为5GHz,220GHz频率选择9WO2025/139123表面-10dB带宽约为30GHz。随着入射角度的增大，通带中心反射系数略微增大，但仍在-10dB以下，表现出良好的大入射角性能。极化波束，从而实现多极化的设计需求。一般化波束，透射波束为垂直极化波束，反射波束为水平极化波束。一般情况下，g<X4、c<A/10的无衬底的线极化栅金属丝即可满足准光链路指标。其中c为束参数。在准光链路系统中设计反射面时，通常确定入射波束和出射波束的夹角θ为定值。同时，入射波束的工作波长入(即馈源中心波长)、共焦距离、与椭球面镜的匹配时，R1=R,其中B为入射焦点到反射点的距离，B为入射波束曲率半径。最后，根据2准则对椭球面镜进行截取，即可完成反射面设计。其中为反射面处的波束半径，当截取镜面半径大于两倍波束半径时，能[0061]S1、测量前端准光链路输出波束的束腰宽度和等效束腰位置，参见表4(输出波束参数表)。WO2025/139123S2、利用傅里叶级数将主反射面母线进行有限项展开，其中，至(1为傅里叶展开系数，参见表5(傅里叶展开系数表)。[0067]S3、利用编程语言在电磁仿真软件中实现电磁建模；[0068]S4、根据目标扫描角度、等效馈源位置和等效束腰宽度设定适应度函数；[0069]S5、利用遗传算法与电磁仿真分析不断调整傅里叶展开系数，如图6所示，包括：使用专用程序控制电磁仿真软件计算远场方向图；根据远场方向图计算适应度函数值；将适应度函数值回带入遗传算法；根据遗传算法调整展开系数；依据展开系数利用专用程序再次计算远场方向图，不断循环优化。[0070]S6、当适应度函数取得最小值时优化停止，保留优化后的展开系数。将优化后的展开系数再进行仿真，可验证有效倍增了波束扫描角度，如图7所示。WO2025/139123PCT/[权利要求1]一种多频多极化宽波束扫描基站系统，其特征在于，包括波束产生器件、波束汇聚器件、波束分离器件和波束扫描器件；所述波束产生器件，用于以宽带圆锥喇叭馈源辐射近似的高斯波所述波束汇聚器件，利用椭球面镜的波束汇聚特性将多波束通道折叠汇聚；[权利要求2]所述波束分离器件，通过频率选择表面和线极化栅的波束分离特性将多通道波束分离；所述波束扫描器件，通过赋形优化后的大口径反射面天线实现宽角度的波束扫描。根据权利要求1所述的一种多频多极化宽波束扫描基站系统，其特征在于，所述波束产生器件包括：45GHz、100GHz和220GHz圆锥波纹喇叭，模式转换段波槽深度由λ/2逐渐变换到λ/4,其中λ为馈源中心波长；以及辐射高斯波束的束腰为0,喇叭口面半径为,ws/a=0.644时近场能量分布与高斯基模耦合程度达到98%,能够提供稳定的相位中心和波束宽度，用于后续准光链路设计，提供高速率通信。[权利要求3][权利要求4]根据权利要求1所述的一种多频多极化宽波束扫描基站系统，其特征在于，所述波束汇聚器件包括高精度表面的椭球反射镜，利用椭球面镜的ABCD波束转移矩阵和波束匹配条件R₁=Rm,其中为入射焦点到反射点的距离，B为入射波束曲率半径，将各通道波束汇聚折叠且保持小畸变量，实现系统体积的可控性。根据权利要求1所述的一种多频多极化宽波束扫描基站系统，其特征在于，所述波束分离器件包括45GHz、220GHz带通频率选择表面和线极化栅；通过依据弗洛凯定理的带通频率选择周期性表面实WO2025/139123[权利要求5][权利要求6]现多频波束的分离与合成，通过线极化栅实现双极化波束的分离与合成，使波束通道倍增。根据权利要求1所述的一种多频多极化宽波束扫描基站系统，其特征在于，所述波束扫描器件包括以卡塞格伦天线结构为原型的大口面反射面天线，利用等效馈源小于4cm的偏焦移动结合物理光学仿真方法实现大于或等于20deg的波束扫描角度。根据权利要求1-5之一所述的一种多频多极化宽波束扫描基站系统的优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、测量前端准光链路输出波束的束腰宽度和等效束腰位置；S2、利用傅里叶级数将主反射面母线进行有限项展开；S3、利用编程语言在电磁仿真软件中实现建模仿真；S4、根据目标扫描角度、等效馈源位置和等效束腰宽度设定适应度S5、利用遗传算法与电磁仿真分析不断调整傅里叶展开系数；S6、当适应度函数取得最小值时优化停止，保留优化后的傅里叶展开系数。[图1]6B额你9130厘米[图2][图3]RH₁T[图4][图5]距数数距数数多短路小[图6]计算适应度函数数专用程序远场方向图调整母线展开专用程序远场方向图[图7]H01Q19/10(2006.01)i;H04W16/28(2009.01)i;H04W88/08(2009.01)n;G06N3/126(2023.01AccordingtoInternationalPatentClassification(IPC)ortobothnationaMinimumdocumentationseaCNTXT,ENTXTC,CNKI,DWPI,ENTXT:谢宇杰，王正鹏，天线，圆锥喇叭，椭球面镜，球面镜or束),大口径，宽口径，宽角度，大角度，宽波束，汇聚，分离，频率5d选择，波纹喇叭，扫描，卡塞格伦天线，偏焦，antennbeam,separat+,split,ellipsCitationofdocument,withindication,whereappropriate,oftherYCN116644546A(SHANGHYCN103078162A(SOUTHEASTUNIVERSITY)01PXCN117835260A(BEIHANGUNIVERSITY)05April2024ACN110391499A(10THRESEAAWO2023124885A1(HUAWEITECHNOLOGIESCO.,LTD.)06July2023(202tobeofparticularrelevance“D”documentcitedbytheapplicantintheinternationalapplication“X”docu“E”earlierapplicationorpatentbutpub“L”documentwhichmaythrowdoubtsonpriorityclaim(s)orwhichis“Y”documentspecialreason(asspecified)“0”documentreferringtoanoraldisclosure,use,exhibitimeans"P"documentpublisheFormPCT/ISA/210(secondshAAAAABA国际检索报告国际申请号H01Q19/10(2006.01)i;H04W16/28(2009.01)i;H04W88/08(2009.01)n;G06N3/126(2023.按照国际专利分类(IPC)或者同时按照国家索领域检索的最低限度文献(标明分类系统和分类号)在国际检索时查阅的电子数据库(数据库的名称，和使用的检索词(如使用))CNTXT;ENTXTC;CNKI;DWPI;ENTXT:谢宇杰，王正鹏，天线，圆锥喇叭，椭球面镜，球面镜面，高斯3d(波or束),大口径，宽口径，宽角度，大角度，宽波束，汇聚，分离，频率5d类型*引用文件，必要时，指明相关段落YYYAACN116644546A(上海航天测控通信研究所)2023年8月25