CN106887691B - 互补地全息调制表面双波束高增益天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种互补地全息调制表面双波束高增益天线，主要解决了地板结构的差异对天线的辐射特性的影响。本发明包括介质基板，印制在该介质基板上表面并作为天线全息表面结构的全息金属贴片，设置在介质基板边缘、用于实现天线馈电的馈源单极子，以及设置在介质基板下表面并作为天线地板的全息互补地。其中，全息互补地与全息金属贴片为互补结构，其用于在馈源单极子激励下与全息金属贴片发生近场耦合，从而使天线获得双波束辐射特性的同时增强天线辐射增益。通过上述方案，本发明在馈源单极子激励下全息互补地与全息金属贴片发生近场耦合，从而使天线获得双波束辐射特性的同时增强天线辐射增益，具有很高的实用价值和推广价值。

Description

互补地全息调制表面双波束高增益天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其是涉及一种互补地全息调制表面双波束高增益天线。

背景技术

全息调制表面作为人工电磁表面的一种，具有结构简单、剖面低、高增益、易共形等优良特性，为电磁波的精确调控提供了新的可能。在军事设备隐身、多目标探测和电磁能量收集等领域有广阔应用前景。

全息调制表面的设计思路很大程度上来源于光学全息原理和阻抗调制表面的结合。光学全息我们可理解为记录和再现两步。第一步，全息记录。利用全息底片将参考光束和物光束的干涉条纹，包括物光波的幅度和相位信息记录在介质基片上。第二步，波前重建。利用与原来同方向的参考光束照射全息图，照明光束经全息底片衍射后产生衍射场，再现立体的原物体图像。

阻抗调制表面是将亚波长周期单元按一定规律排列的二维电磁表面。通过改变周期单元的形状、旋转角度和间距等特征，实现目标表面阻抗函数。将参考光束对应参考波，物光束对应目标波。全息调制表面通过按一定规则排布的电小尺寸金属贴片，记录下参考波和目标波干涉结果的表面阻抗值。当再用参考波激励全息调制表面时，就可以实现目标波方向的辐射。

国内外科研人员在全息调制表面天线领域做了大量研究工作。通过改变表面阻抗调制函数，获得不同形式的出射波；通过改变各向异性单元的旋转角度等特征，控制电磁波的传播方向和极化特性；通过研究三维立体结构与二维表面的映射关系，实现全息调制表面天线的物体共形。地板作为全息表面天线的重要组成部分，不同地板结构对天线的辐射特性有很大影响。然而，目前的全息表面天线主要通过改变周期单元结构的单元形状、间距、旋转角度和排列方式等特征，实现控制电磁波的目的。地板结构的差异为全息调制表面天线设计提供了一个新的自由度，有效的地板设计可以增强全息表面天线的增益并获得不同的辐射特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种互补地全息调制表面双波束高增益天线，主要解决现有技术中存在的地板结构的差异对天线的辐射特性的影响，获得高增益双波束辐射特性的天线。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

互补地全息调制表面双波束高增益天线，包括介质基板，印制在该介质基板上表面并作为天线全息表面结构的全息金属贴片，设置在介质基板边缘、用于实现天线馈电的馈源单极子，以及设置在介质基板下表面并作为天线地板的全息互补地；所述全息互补地与全息金属贴片为互补结构，其用于在馈源单极子激励下与全息金属贴片发生近场耦合，从而使天线获得双波束辐射特性的同时增强天线辐射增益。

具体地，全息金属贴片由40×40个按规律变化的方形金属贴片组成，其中，任意全息金属贴片的尺寸计算如下步骤：

(1)馈源单极子产生的表面电流：

Ψ_surf＝e^-jknr ①

e为指数函数，k为自由空间电磁波传播常数，n为表面有效折射率，r为电磁波离坐标原点的距离，j为复数的虚数单位；

(2)目标波是偏离X-Y平面外法向45度方向的平面波，其表达为：

Ψ_rad＝e^{-jksin45°(xcos45°+ysin45°)} ②

其中，e为指数函数，k为自由空间电磁波传播常数，j为复数的虚数单位，x为x轴任意位置，y为y轴任意位置；

(3)全息调制表面阻抗Z(x_t)定义为参考波和目标波的干涉结果，其表达式：

X是表面的平均阻抗值，M是调制深度，x_t是阻抗表面上任意一点的位置，Ψ_surf为馈源单极子产生的表面电流，为Ψ_surf共轭函数，Re为求解复数的实部，j为复数的虚数单位；

(4)本金属贴片的X是表面的平均阻抗值取值197.5Ω，M是调制深度取值36.5，x_t是阻抗表面上任意一点的位置，带入③中，全息表面阻抗调制函数表达式为：

Z(x_t)＝j[197.5+36.5cos(knr-ksin45°(xcos45°+ysin45°))] ④

(5)通过变化亚波长周期单元方形贴片的尺寸，来表征全息表面阻抗；在高频结构仿真软件中建模仿真，对方形贴片单元加上周期边界条件，在特征模求解器下提取单元有效表面阻抗，得到方形贴片间距g与表面阻抗Z之间的函数关系为：

Z＝j(-71.46*g³+198.98*g²-243.07*g+274.77) ⑤

(6)联立④、⑤函数关系式可以解出阻抗表面上任意一点位置处方形贴片的尺寸。

优选地，该天线的介质基板为罗杰斯5880介质板，其介电常数为2.2，长为120mm，宽为120mm，高为1.6mm；馈源单极子4的半径为0.5mm,高度为5mm；空气圆柱的半径为1mm，高度为1.6mm。

进一步地，所述介质基板上并靠近馈源单极子处设置有用于减少介质基板对馈源单极子加载作用、以便提升天线阻抗匹配特性的空气圆柱，在全息金属贴片表面边缘馈电可以保证本天线的辐射方向图主波束方向不出现零深。馈源单极子产生的类柱面波表面电流，经过全息结构和全息互补地结构不连续处衍射后得到目标辐射场。

优选地，所述空气圆柱的半径为1mm，高为1.6mm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明将传统全息调制表面天线的金属地结构巧妙地改变为全息互补结构，从而不仅获得了双波束辐射特性，而且还增强了天线的辐射增益。

(2)本发明天线在馈源单极子的激励下，由于全息表面和全息互补地之间的强烈近场耦合作用，引导表面电流向表面边缘传播，因而在全息互补地的影响下，全息结构表面电流分布更加均匀。

(3)本发明在馈源单极子周围设置有减少介质基板对单极子加载作用的空气圆柱，提高了天线的阻抗匹配特性。

(4)本发明设计合理、实用性强，适合在多目标探测、电磁能量收集领域推广应用。

附图说明

图1为本发明互补地全息调制表面双波束高增益天线的整体结构图；

图2是本发明天线的上表面全息结构图；

图3是本发明天线的下表面全息互补地图；

图4是本发明天线的阻抗匹配曲线图；

图5是本发明天线的三维远场辐射方向图正视图；

图6是本发明天线的三维远场辐射方向图侧视图；

图7是本发明天线的二维平面辐射方向图；

上述附图中，附图标记对应的部件名称如下：

1-全息金属贴片，2-介质基板，3-全息互补地，4-馈源单极子，5-空气圆柱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

如图1至图3所示，本发明提供了一种互补地全息调制表面双波束高增益天线，可应用于军事设备隐身、多目标探测和电磁能量收集等领域。本发明包括全息金属贴片1、介质基板2、全息互补地3、馈源单极子4和空气圆柱5。所述的全息金属贴片1印制在介质基板2的上表面，本实施例中，全息金属贴片1由40*40个尺寸按一定规律变化的方形金属贴片组成，任意一个方形金属贴片的尺寸均经如下公式联立求得：

Z(x_t)＝j[197.5+36.5cos(knr-ksin45°(xcos45°+ysin45°))] ④

Z＝j(-71.46*g³+198.98*g²-243.07*g+274.77) ⑤

其中，④式为天线全息表面阻抗上任意一点位置的调制函数表达式，⑤式为方形金属贴片间距与表面阻抗之间的函数表达式。

而所述的介质基板2选用罗杰斯5880(Rogers Duroid 5880)介质板，介电常数为2.2，介质基板2长120mm，宽120mm，高1.6mm。

所述的全息互补地3设置在介质基板2下表面并作为天线的地板，全息互补地与全息金属贴片为互补结构。所述的馈源单极子4布置在介质基板2的边缘，其半径为0.5mm,高度为5mm。而所述的空气圆柱5则设置在介质基板2中并位于馈源单极子4的周围，其半径为1mm，高度为1.6mm。

本发明的馈电方式为采用馈源单极子4馈电，馈源单极子4产生的类柱面波作为天线的激励源，在全息金属贴片1及全息互补地3的结构不连续处产生辐射，得到目标辐射方向图。

本发明天线工作频率为15GHz，目标辐射波是是偏离X-Y平面外法向45度方向的平面波Ψ_rad。该天线的优点可以通过以下针对实施例的仿真进一步说明：

图4为本天线的宽带特性，利用商业仿真软件HFSS_15.0对上述实施例的S参数进行仿真计算结果，S参数在11.9GHz到19.3GHz的工作频带内均小于-10dB，相对带宽为49.33％。

如图5至图7所示，利用商业仿真软件HFSS_15.0对上述实施例的远场辐射方向图进行仿真计算。图5为上述实施例的三维远场辐射方向图正视图，图6为上述实施例的三维远场辐射方向图侧视图，该天线具有双波束辐射特性。图7为上述实施例的phi＝45°方向二维平面远场辐射方向图，该天线在phi＝45°、theta＝54°方向天线主极化增益为17.88dBi，在phi＝45°、theta＝123°方向天线主极化增益为12.90dBi。天线交叉极化增益在全向均小于-2.5dBi。

本发明在全息金属贴片1和全息互补地3的强烈近场耦合作用下，表面电流分布更加均匀。试验表明，在获得双波束辐射特性的情况下，本发明的辐射增益，相较于传统金属地全息天线，提高了约2dBi，因此，本发明具有高增益辐射的特性，相比现有技术来说，具有突出的实质性特点和显著的进步。

上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.互补地全息调制表面双波束高增益天线，包括介质基板(2)和印制在该介质基板(2)上表面并作为天线全息表面结构的全息金属贴片(1)，其特征在于，还包括设置在介质基板(2)边缘、用于实现天线馈电的馈源单极子(4)，以及设置在介质基板(2)下表面并作为天线地板的全息互补地(3)；所述全息互补地(3)与全息金属贴片(1)为互补结构，其用于在馈源单极子激励下与全息金属贴片发生近场耦合，从而使天线获得双波束辐射特性的同时增强天线辐射增益。

2.根据权利要求1所述的互补地全息调制表面双波束高增益天线，其特征在于，所述全息金属贴片(1)由40×40个按规律变化的方形金属贴片组成。

3.根据权利要求2所述的互补地全息调制表面双波束高增益天线，其特征在于，任意一个方形金属贴片的尺寸均由如下公式联立求得：

Z(x_t)＝j[197.5+36.5cos(knr-ksin45°(xcos45°+ysin45°))] ①

Z＝j(-71.46*g³+198.98*g²-243.07*g+274.77) ②

其中，①式为天线全息表面阻抗上任意一点位置的调制函数表达式，②式为方形金属贴片间距与表面阻抗之间的函数表达式；x_t是阻抗表面上任意一点的位置，k为自由空间电磁波传播常数，n为表面有效折射率，r为电磁波离坐标原点的距离，j为复数的虚数单位，x为x轴任意位置，y为y轴任意位置，g为方形贴片间距。

4.根据权利要求1所述的互补地全息调制表面双波束高增益天线，其特征在于，所述介质基板(2)为罗杰斯5880介质板，其介电常数为2.2，长为120mm，宽为120mm，高为1.6mm。

5.根据权利要求1所述的互补地全息调制表面双波束高增益天线，其特征在于馈源单极子(4)的半径为0.5mm,高为5mm。

6.根据权利要求1～5任意一项所述的互补地全息调制表面双波束高增益天线，其特征在于，所述介质基板(2)上并靠近馈源单极子处设置有用于减少介质基板对馈源单极子加载作用、以便提升天线阻抗匹配特性的空气圆柱。

7.根据权利要求6所述的互补地全息调制表面双波束高增益天线，其特征在于，所述空气圆柱的半径为1mm，高为1.6mm。