CN104112901A - 全息人工阻抗表面共形天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全息人工阻抗表面共形天线，人工阻抗表面结构包括金属贴片、介质层和金属层，不同尺寸的金属贴片对应不同的表面阻抗，且表面阻抗分布基于全息原理的干涉图分布，其中，所述全息原理的干涉图分布对应的参考波为表面波，目标波为辐射平面波。本发明对全息人工阻抗表面进行了共形化处理，使之能和复杂物体共形，实现了将平面全息天线共形到任意复杂物体曲面上，从而形成任意的辐射。

Description

全息人工阻抗表面共形天线

技术领域

本发明涉及一种全息人工阻抗表面共形天线，属于天线技术领域。 

背景技术

全息光学技术的基础是光的相干涉作用和光的衍射作用，且发生光学干涉的必要条件是两列光波具有相同的频率，相位差恒定。第一步是利用干涉原理记录物体光波信息，第二步是参考光束射到全息底片上，通过光的衍射作用再现物光。 

全息天线的作用机理与光学技术是类似的，全息天线的干涉图样是通过参考天线的辐射场与目标天线的辐射场在干涉表面上干涉形成的。为了也能准确的模拟出参考辐射场与目标辐射场的干涉场分布，不需要实际的两副天线提供辐射场，只需要知道参考辐射场的表达式以及指定目标辐射场的表达式，经过计算得到干涉场的表达式，进而在干涉场极小值点放置金属。在电磁场理论中，由于理想金属对应的是边界条件是理想电壁，根据唯一性原理，这种方法是可以记录干涉场的，从而得到与全息技术中全息照片对应的全息结构。 

阻抗表面是新型人工电磁材料发展的一个方向，它由特定形状的亚波长金属单元结构按周期或者准周期排布在介质板表面，用于分析其对表面波的响应。将低剖面天线集成在复杂载体上，例如汽车、飞机，同时保证天线的辐射特性，这已经成为天线设计者的普遍问题。造成问题的原因主要是天线在进行辐射的同时会在金属载体表面的附近区域激励起表面电流，而这些电流的二次辐射将会对天线原有的辐射造成极大的负面效应，包括出现不希望的零深，交叉极化等等。全息人工阻抗表面基于三个基本的概念：调制阻抗表面上的表面波、人工阻抗表面和全息天线。全息阻抗表面是由一系列的电小尺寸的金属贴片构建而成的二维调制，而贴片大小的不同导致的结果是对应的表面阻抗的不同。在人工阻抗表面上激励的表面波通过变化的表面阻抗产生需要的辐射。表面波的传播和辐射主要通过控制表面阻抗的大小、调制深度以及调制周期。 

在现有技术中，中国专利“201310323806.X”公开了一种基于全息原理和阻抗表面的低剖面锥形出射方向天线，公开日为2013年10月23日，该天线由阻抗表面和单极子天线构成。阻抗表面为印刷电路板(Printed Circuit Board，简称PCB)上正面刻蚀不同贴片单元组成，该PCB半背面为金属，中间为介质层。其中阻抗表面的设计使用了全息原理，阻抗表面的单元为不同尺寸的金属贴片，阻抗分布满足全息干涉图强度分布。全息干涉图由物波和参考波干涉生成，参考波为单极子天线激励而在阻抗表面上产生的表面波，物波为方向图成锥形出射的波。其存在的主要问题在于：现有技术专利只是对辐射波形式作出创新，所以只是将全息人工阻抗表面停留在平面结构上，它忽略了全息天线的关键问题在于利用表面波，成功实现对表面波导行，是实现漏波辐射的前提，因此，现有技术局限于全息阻抗表面平面结构。 

发明内容

    本发明的目的在于克服现有技术存在的上述问题，提供一种全息人工阻抗表面共形天线。本发明对全息人工阻抗表面进行了共形化处理，使之能和复杂物体共形，实现了将平面全息天线共形到任意复杂物体曲面上，从而形成任意的辐射。 

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下： 

一种全息人工阻抗表面共形天线，人工阻抗表面结构包括金属贴片、介质层和金属层，其特征在于：不同尺寸的金属贴片对应不同的表面阻抗，且表面阻抗分布基于全息原理的干涉图样分布，其中，所述全息原理的干涉图分布对应的参考波为表面波，目标波为辐射平面波。

所述介质层的背面为金属层，正面均匀分布有相同尺寸单元，不同尺寸的金属贴片分别设置在相同尺寸单元上。 

    所述目标波设置为辐射平面波，写成如下形式： 。 

所述参考波为柱形表面波时，写成如下形式： 

所述参考波为探针激励起的表面波，由平均有效折射率决定，平均有效折射率通过单元晶格仿真得到，单元晶格包括介质层和其上方的正方形金属贴片，在介质层下设置电壁来表示金属地板，仿真得出平均有效折射率如下所示：

所述仿真时通过下式来计算单元晶格表面阻抗：。

    所述仿真单元晶格得到的表面阻抗值，通过改变正方形金属贴片的尺寸，得到对应的阻抗值，得出阻抗随着贴片之间间隙变化的阻抗曲线，通过阻抗曲线拟合出对应的方程： 

   根据，并结合正弦阻抗调制关系得到人工阻抗表面的表面阻抗：

其中，平均阻抗，是调制深度；将此两个方程联合得出人工阻抗表面结构。

采用本发明的优点在于： 

一、本发明利用简单结构在全息阻抗表面上激励起表面波，通过控制复杂载体表面电流导行和辐射，达到实现天线辐射性能的目的，表面波在阻抗表面上边传播边辐射，避免了复杂的馈电网络。实现在物体表面激励表面波并成功导行。

   二、本发明将光学全息原理同正弦阻抗调制原理相结合，首先，将全息人工阻抗表面共形到复杂曲面上，实现了在任意复杂曲面上表面波的导行；其次，能够控制复杂曲面上表面波的漏波辐射，实现了较大角度的波束指向，甚至在馈电位置另一侧的阴影区域内实现辐射；再次，相对于其它阵列天线，其具有较低的剖面和简单的馈电结构；最后，相对于其他的共形天线，其大大提高了天性能，比如增益、辐射效率、副瓣电平和较好波束指向等。 

三、本专利与现有技术相比，突破了全息阻抗表面平面结构的局限，成功实现了在复杂载体表面实现表面波的导行，并且通过阻抗调制的创新，实现了大角度的波束指向。本专利较现有技术不仅仅在电磁色散、表面波和漏波辐射理论有巨大突破，而且在现有PCB工艺的基础上，实现了利用最小失真将三维全息人工阻抗表面的二维晶格单元转化到三维曲面上。 

四、本专利充分的考虑了复杂的电磁环境，着眼于全息天线在飞机、舰船等复杂结构上的运用，大大拓展了现有技术对全天线的利用和开发。 

附图说明

图1是标量阻抗表面的单元。 

图2是阻抗（Impedance）随着贴片之间间隙（gap）变化的曲线。 

图3是全息人工阻抗结构。 

图4是一个锥面共形的全息人工阻抗表面天线。 

图5是图4所示锥面共形全息人工阻抗表面天线的驻波。 

图6是图4所示锥面共形全息人工阻抗表面天线的方向图。 

图中标记为：1、介质材料，2、金属贴片，3、单元晶格，4、人工阻抗表面结构，5、阻抗表面，6、贴片之间的间隙，7、基于锥面共形的全息人工阻抗表面天线，8、单极天线，9、下底面，10、阻抗表面的金属贴片层，11、介质层，12、金属载体，13、表面波，14、漏波辐射。 

具体实施方式

实施例1 

一种全息人工阻抗表面共形天线，人工阻抗表面结构包括金属贴片、介质层和金属层，金属层可以为金属载体，不同尺寸的金属贴片对应不同的表面阻抗，且表面阻抗分布基于全息原理的干涉图样分布，其中，所述全息原理的干涉图分布对应的参考波为表面波，目标波为辐射平面波。

所述介质层的背面为金属层，正面均匀分布有相同尺寸单元，不同尺寸的金属贴片分别设置在相同尺寸单元上。 

    所述目标波设置为笔形辐射平面波，写成如下形式：。 

所述参考波为柱形表面波时，写成如下形式： 

所述参考波为探针激励起的表面波，由平均有效折射率决定，平均有效折射率通过单元晶格仿真得到，单元晶格包括介质层和其上方的正方形金属贴片，在介质层下设置电壁来表示金属地板，仿真得出平均有效折射率如下所示：

所述仿真时通过下式来计算单元晶格表面阻抗：

。

    所述仿真单元晶格得到的表面阻抗值，通过改变正方形金属贴片的尺寸，得到对应的阻抗值，得出阻抗随着贴片之间间隙变化的阻抗曲线，通过阻抗曲线拟合出对应的方程： 

实施例2

本实施例结合附图，以锥面共形的全息人工阻抗表面天线为例进行说明。

全息人工阻抗表面共形天线是将基于全息原理的人工阻抗表面共形到复杂载体表面上的一种新型天线。本发明利用全息原理以及阻抗调制理论设计出一种新型漏波天线，并进一步对全息人工阻抗表面进行了共形化处理，使之能和复杂物体共形。该发明为天线共形技术提出了一种新的可参考方案，并对天线性能做出了极大提高。 

以锥面共形的全息人工阻抗表面天线为例。该天线采用单极子天线在锥面上馈电，表面阻抗分布基于全息原理的干涉图分布，其中，所述全息干涉分布对应的参考波为表面波，目标波为辐射平面波。阻抗表面材料为印刷电路板材料，介质材料的背面是金属接地面，正面为相同尺寸单元，不同尺寸正方形贴片组成。不同尺寸的贴片对应不同的表面阻抗，该阻抗表面的表面阻抗分布对应为干涉图分布。 

利用简单结构在全息阻抗表面上激励起表面波，通过控制复杂载体表面电流导行和辐射，达到实现天线辐射性能的目的。表面波在阻抗表面上边传播边辐射，避免了复杂的馈电网络。实现了在物体表面激励表面波并成功导行。 

基于锥面共形的全息人工阻抗表面天线7，其利用单极天线8在人工阻抗表面即阻抗表面的金属贴片层10上激励起表面波13，进而通过全息阻抗调制原理激励起漏波辐射14。 

图1中，方形的金属贴片2同时也是阻抗表面5的一部分。全息调制阻抗表面5的表面阻抗也就是通过调节每一块方形金属贴片2的大小（贴片之间的间隙6）来实现调制。将光学全息原理同调制阻抗表面5的漏波原理相结合，可以得到全息阻抗调制表面的阻抗分布。再由图1所示结构提取阻抗曲线，可以获得不同金属贴片2大小对应的阻抗大小。这样最终获得金属贴片在整个阻抗表面上的分布。 

图2中每一个点是通过图1的结构在HFSS中仿真得到的，然后同过拟合得到阻抗随间隙的变化关系式和图2所示的阻抗曲线。 

图3中的4就是整个的人工阻抗表面结构，可以清晰的看到形成的波纹。5是阻抗表面细节，6是不同金属方形贴片之间的间隙。 

图4中，单极天线8是一个单子作为馈源，在阻抗表面上激励起表面波。下底面9是从锥体下端俯视所看到的。10是阻抗表面的金属贴片层部分，11是阻抗表面的介质层部分，12是锥形的金属载体，13是示意表面波的传播，14是激励起的漏波辐射。 

利用本专利的技术，人工阻抗表面结构能够设计用于表面波的导行和需要的漏波辐射。根据前面所提到的，在带地介质板上印刷方形金属片来控制阻抗调制，从而设计出全息天线。 

可以利用图3当中的全息人工阻抗表面结构4，实现表面波的导行和激励漏波辐射。全息人工阻抗表面结构的设计是利用仿真全息人工阻抗结构3来构建的，下面会进行详细的说明。 

人工阻抗表面结构是由参考波和目标波形成的干涉图案。目标波可设置为平面波，写成如下形式： 

在图4中单极天线激励的参考波是柱形表面波，可以写成如下形式：

    需要特别说，依照不同载体表面，有具体不同的表达式，进而实现任意复杂载体表面的共形。这一目标波也是想要在人工阻抗结构上激励的辐射波。让参考波共轭后和目标波相乘，再取实部，记作，它表明阻抗变化是位置的函数。对于参考波也就是探针激励起的表面波，它以一定的相速度传播，并且它由平均有效折射率决定，而平均有效折射率又是通过在单元晶格3仿真得到。对于平面波，指的是在阻抗表面附近的介质内传播，一般指的是在自由空间内。

   人工阻抗表面结构4可以选用各种结构，通过仿真分析后，采用方形金属贴片2。对于单元晶格3，通过电磁仿真软件可以分析得到表面阻抗是阻抗表面结构的函数。 

   单元晶格3，由一块介质材料1和其上方的正方形金属贴片2构成。在介质的下面设置电壁来表示金属地板（图上没有给出）。电磁仿真软件计算单元晶格3在本征频率下的特性。本征频率决定有效折射率，如下所示： 

   表1给出了利用电磁仿真软件仿真单元晶格3得到的表面阻抗值，通过改变正方形金属贴片2的尺寸，得到对应的阻抗值。这里要说明由于单元晶格3尺寸是固定的，当改变金属贴片2大小就等同于改变贴片之间的间距，所以表1中是采用间距（gap）来替代金属贴片2长度。单元晶格3固定大小是3mm，介质采用的是Taconic RF-60，其介电常数是6.15，厚度是1.27mm。金属贴片2的阻抗视为感性。

表1 

图2是阻抗曲线，即表面阻抗对应变化金属贴片2尺寸的曲线。利用表1中不同的gap对应的阻抗值，可以拟合出对应的方程：

其中，平均阻抗，是调制深度。另外，调制深度决定单位表面上辐射能量的大小，较大调制深度会形成较大辐射率。该关系式描述了表面阻抗和在阻抗表面位置的关系，因此，将两个方程联合可以设计出人工阻抗表面结构4。

对于图4，人工阻抗表面结构4能够运用到设计曲面共形天线当中去，而且可以得到普通共形天线难以得到的辐射特性，原因在于通过表面波耦合转化为指定辐射方向的平面波。人工阻抗表面结构4包含有人工阻抗表面5，并且正方形金属贴片2印刷在带地薄介质材料1上。 

图4所示的是基于锥面共形的全息人工阻抗表面天线7。在锥面共形的全息人工阻抗表面天线7上通过一个探针即单极天线8进行激励，最终实现在锥面一侧偏离激励位置45°的位置形成了一个较窄的波束。单极天线8激励器的表面波13沿着人工阻抗表面10传播。利用表面电流和偏离激励位置45度平面波14的干涉即可以设计出人工阻抗表面。图6是锥面共形全息人工阻抗表面天线7的方向图，它在设计的12 GHz指向刚好是45°。 

本领域技术人员结合本实施例，可以直接应用到任意复杂物体曲面上，这些应用均应包括在本专利保护范围内。 

Claims (7)

1.一种全息人工阻抗表面共形天线，人工阻抗表面结构包括金属贴片、介质层和金属层，其特征在于：不同尺寸的金属贴片对应不同的表面阻抗，且表面阻抗分布基于全息原理的干涉图样分布，其中，所述全息原理的干涉图分布对应的参考波为表面波，目标波为辐射平面波。

2.根据权利要求1所述的全息人工阻抗表面共形天线，其特征在于：所述介质层的背面为金属层，正面均匀分布有相同尺寸单元，不同尺寸的金属贴片分别设置在相同尺寸单元上。

3.根据权利要求1或2所述的全息人工阻抗表面共形天线，其特征在于：所述目标波设置为笔形辐射平面波，写成如下形式： 。

4.根据权利要求3所述的全息人工阻抗表面共形天线，其特征在于：所述参考波为柱形表面波时，写成如下形式：

柱坐标系当中，

其中，，是馈电点位置，是阻抗表面上任意位置到激励点的位置矢量，为自由空间总的波矢量，为阻抗表面平均有效折射率，的三个分量，是锥的高度，是锥的底面半径。

5.根据权利要求1、2或4所述的全息人工阻抗表面共形天线，其特征在于：所述参考波为激励起的表面波，由平均有效折射率决定，平均有效折射率通过单元晶格仿真得到，单元晶格包括介质层和其上方的正方形金属贴片，在介质层下设置电壁来表示金属地板，仿真得出平均有效折射率如下所示：

  

6.根据权利要求5所述的全息人工阻抗表面共形天线，其特征在于：所述仿真时通过下式来计算单元晶格表面阻抗：

7.根据权利要求6所述的全息人工阻抗表面共形天线，其特征在于：所述仿真单元晶格得到的表面阻抗值，通过改变金属贴片的尺寸，得到对应的阻抗值，得出阻抗随着贴片之间间隙变化的阻抗曲线，通过阻抗曲线拟合出对应的方程：