CN110011069B - 基于全息超表面的共形表面波天线 - Google Patents

基于全息超表面的共形表面波天线 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于全息超表面的共形表面波天线，包括单极子馈源和全息阻抗表面，全息阻抗表面包括m×n个周期性排布的阻抗表面单元，阻抗表面单元包括介质板、印制在介质板上表面中心位置的方形金属贴片和下表面的金属地板，阻抗表面单元的表面阻抗基于全息原理的干涉图分布，该干涉图分布对应的参考波为单极子馈源产生的圆柱形表面波，目标波为端射辐射的平面波。利用单极子馈源产生圆柱形表面波，经过全息阻抗表面的阻抗调制后形成平整的平面波前，在共形表面波天线的端射方向上实现定向辐射，当遇到曲面突起时，还可实现表面波的绕射传播。

Description

基于全息超表面的共形表面波天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种共形表面波天线，具体涉及一种基于全息原理和人工阻抗表面的共形表面波天线，可用于飞行器系统和通讯系统。
技术背景
基于人工电磁结构的表面波天线因为具有低剖面、小体积、空气阻力小等特点而易于安装在各种表面上，因此可以很好地用作毫米波通讯系统的发射或接收天线，并广泛应用于飞行器系统和通讯系统中。
现有研究中基于人工电磁结构的表面波天线涉及平面结构和曲面共形结构，可实现端射或边射辐射。例如，2014年，王朝旭在名为“新型表面波天线的设计”的硕士论文中，公开了一种基于穿孔介质材料的表面波转换透镜天线，利用准保角光学变换和模式转换理论设计了一种表面波平面透镜，对表面波的传播路径进行调控，实现了端射辐射。又如，授权公告号为CN104112901B，名称为“全息人工阻抗表面共形天线”的中国专利，公开了一种全息人工阻抗表面共形天线，实现了将平面全息天线共形到任意复杂物体曲面上，将表面波转化为漏波辐射实现了边射辐射。
综上所述，现有研究均实现了特定场景中表面波天线的设计，但只针对于单一的平面或曲面共形结构，由于各自的局限性，并不能解决平面上传播的电磁波在遇到曲面突起后进行绕射传播，并在端射方向上产生定向辐射的问题。全息人工阻抗表面作为一种新的人工电磁表面，具有易于共形、剖面低和易于加工等特点，可以精确地对表面波进行调控。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出一种基于全息超表面的共形表面波天线，能够实现平面上传播的电磁波在遇到曲面突起后进行绕射传播，并形成天线端射方向上的高定向性波束辐射。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案，包括全息阻抗表面1和单极子馈源2，其中：
所述全息阻抗表面1，包括m×n个周期性排布的阻抗表面单元11，m≥40，n≥40，所述阻抗表面单元11包括介质板111、印制在介质板111上表面中心位置的方形金属贴片112和下表面的金属地板113；所述全息阻抗表面1的中间部分为圆柱状曲面，该圆柱状曲面曲率变化方向的两端分别连接有平面结构，且两个平面结构共面，所有阻抗表面单元11的表面阻抗基于全息原理的干涉图分布，所述方形金属贴片112的尺寸通过其所处位置的表面阻抗确定，所有方形金属贴片112形成明暗相间的V字形条纹；
所述单极子馈源2固定在全息阻抗表面1中任意一个平面结构上；
所述全息阻抗表面1通过将单极子馈源2产生的圆柱形表面波调制成平整的平面波前，实现在该全息阻抗表面1的端射方向上高定向性波束；
所述基于全息原理的干涉图分布，其对应的参考波为单极子馈源2产生的圆柱形表面波，对应的目标波为全息阻抗表面1端射方向上的辐射平面波，其中：
圆柱形表面波的电场ψref的表达式为：
Figure GDA0002816057100000021
辐射平面波的电场ψobj的表达式为：
Figure GDA0002816057100000022
其中，k0为自由空间波数，n为全息阻抗表面的平均表面折射率，r1为全息阻抗表面上任意一点沿表面与单极子馈源的距离，
Figure GDA0002816057100000023
为全息阻抗表面上任意一点相对于单极子馈源所在位置的位置矢量，
Figure GDA0002816057100000024
为辐射平面波的波矢，其中：
在平面结构部分，
Figure GDA0002816057100000025
沿着平面直角坐标系的x轴正方向，即
Figure GDA0002816057100000026
则平面结构上各阻抗表面单元的表面阻抗Zs基于全息原理的干涉图分布表达式为：
Zs＝j[X+Mcos(k0nr1-ktx)]
在圆柱状曲面结构部分，
Figure GDA0002816057100000027
沿着圆柱状曲面的圆周方向，在柱坐标系中，辐射平面波的波矢表示为
Figure GDA0002816057100000028
则在圆柱状曲面结构上各阻抗表面单元的表面阻抗Zs基于全息原理的干涉图分布表达式为：
Zs＝j[X+Mcos(k0nr1-kρRφ)]
其中，kt为辐射平面波沿x方向的切向波数，R为圆柱状曲面的曲率半径，φ表示圆柱状曲面圆周上任意一点对应的圆心角，kρ为辐射平面波沿着圆柱面圆周方向的波数，X和M分别表示平均表面阻抗的大小和调制深度。
上述基于全息超表面的共形表面波透镜，所述阻抗表面单元11，其中的方形金属贴片112的中心位于介质板111的中心法线上，且方形金属贴片(112)两条对角线与所在介质板111表面的两条对角线重合，该阻抗表面单元11的表面阻抗Zs与方形金属贴片112的尺寸的关系式为：
Zs＝-69.9458g3+248.9734g2-321.6618g+303.6017
其中，g为介质板的边长与方形金属贴片边长之间的差。
本发明与现有发明相比，具有以下优点：
1、本发明全息阻抗表面中阻抗表面单元的表面阻抗基于全息原理的干涉图分布，实现对单极子馈源产生的圆柱形表面波的阻抗调制，最终形成平整的平面波前，有效提高了单极子馈源在特定方向上的辐射增益，与现有发明相比，实现了共形表面波天线端射方向上的高定向性波束。全息阻抗表面1的中间部分为圆柱状曲面，该圆柱状曲面曲率变化方向的两端分别连接有平面结构。
2、本发明固定在全息阻抗表面任意一个平面结构上的单极子馈源产生的圆柱形表面波，通过全息阻抗表面中间部分圆柱状曲面上排布的阻抗表面单元的控制，始终沿着圆柱状曲面的圆周方向传播后，仍能有效传播至另一个平面结构上，实现表面波的绕射传播。
附图说明
图1为本发明实施例1的整体结构示意图；
图2为本发明实施例2的整体结构示意图；
图3为本发明中阻抗表面单元的结构示意图；
图4为本发明阻抗表面单元的表面阻抗与方形金属贴片尺寸的关系曲线；
图5为本发明实施例1在15GHz时θ＝90°方向上的二维增益图；
图6为本发明实施例1与实施例1阻抗表面单元未印制方形金属贴片的结构在15GHz的表面电场强度分布对比图，其中，图6中的(a)为实施例1阻抗表面单元未印制方形金属贴片的结构的表面电场强度分布图，图6中的(b)为实施例1的表面电场强度分布图；
图7为本发明实施例2在15GHz时θ＝90°方向上的二维增益图；
图8为本发明实施例2与实施例2阻抗表面单元未印制方形金属贴片的结构在15GHz的表面电场强度分布对比图，其中，图8中的(a)为实施例2阻抗表面单元未印制方形金属贴片的结构的表面电场强度分布图，图8中的(b)为实施例2的表面电场强度分布图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。
实施例1，本实施例中所述全息阻抗表面1中间部分圆柱状曲面的曲率半径为R＝9λ，圆心角度数为Φ＝43°，其中，λ为工作频率15GHz对应的波长。该圆柱状曲面结构在实现对表面波调制的同时也可实现表面波的绕射传播。
参照图1，本发明包括全息阻抗表面1和单极子馈源2，其中：
所述全息阻抗表面1，包括m×n个周期性排布的阻抗表面单元11，m＝85，n＝73，所述阻抗表面单元11，其结构如图3所示，包括介质板111、印制在介质板111上表面中心位置的方形金属贴片112和下表面的金属地板113，所述介质板111的边长a为3mm，相对介电常数为2.65，相对磁导率为1，厚度h为1.5mm，方形金属贴片112的中心位于介质板111的中心法线上，且方形金属贴片112两条对角线与所在介质板111表面的两条对角线重合，g为介质板111的边长与方形金属贴片112边长之间的差。
所述全息阻抗表面1的中间部分为圆柱状曲面，该圆柱状曲面曲率变化方向的两端分别连接有平面结构，且两个平面结构共面。所述单极子馈源2固定在全息阻抗表面1中任意一个平面结构上，为了具体描述各个结构，以单极子馈源2所在位置为坐标原点建立笛卡尔直角坐标系，固定有单极子馈源2的平面结构沿x轴的长度为45mm，沿y轴的长度为220mm，该平面结构上分布的阻抗表面单元11所在位置坐标沿x轴的变化区间为[-30mm，15mm]，沿坐标y的变化区间为[-110mm，110mm]，沿坐标z的变化区间为[0mm，1.5mm]，其中，x坐标在区间[-30mm，0mm]的阻抗表面单元11是为了抑制单极子馈源2后向辐射的电磁波。第二个平面结构沿x轴的长度为75mm，沿y轴的长度为220mm。
所述单极子馈源2采用同轴结构在全息阻抗表面1的底部馈电，工作频率为15GHz，单极子伸出全息阻抗表面1的长度为3mm，此时单极子馈源2的阻抗匹配效果较好。
所有阻抗表面单元11的表面阻抗基于全息原理的干涉图分布，单极子馈源2在第一个平面上激励产生圆柱形表面波，在依次经过各个结构上阻抗表面单元11的缓慢调制后，形成平整的平面波前，在第二个平面结构的边缘截断向端射方向辐射，所述方形金属贴片112的尺寸通过其所处位置的表面阻抗确定，所有方形金属贴片112形成明暗相间的V字形条纹，关于x轴对称分布，V字形条纹的顶点位于单极子馈源处，条纹越亮表示此处的贴片尺寸越小，表面阻抗越小，反之表面阻抗越大。
所述基于全息原理的干涉图分布，其对应的参考波为单极子馈源2产生的圆柱形表面波，对应的目标波为全息阻抗表面1端射方向上的辐射平面波，其中：
圆柱形表面波的电场ψref的表达式为：
Figure GDA0002816057100000051
辐射平面波的电场ψobj的表达式为：
Figure GDA0002816057100000052
其中，k0为自由空间波数，n为全息阻抗表面的平均表面折射率，r1为全息阻抗表面上任意一点沿表面与单极子馈源的距离，
Figure GDA0002816057100000053
为全息阻抗表面上任意一点相对于单极子馈源所在位置的位置矢量，
Figure GDA0002816057100000054
为辐射平面波的波矢，其中：
在平面结构部分，
Figure GDA0002816057100000055
沿着平面直角坐标系的x轴正方向，即
Figure GDA0002816057100000056
则平面结构上各阻抗表面单元11的表面阻抗Zs基于全息原理的干涉图分布表达式为：
Zs＝j[X+Mcos(k0nr1-ktx)]
在圆柱状曲面结构部分，当
Figure GDA0002816057100000057
沿着圆柱状曲面的圆周方向时，表面波沿着圆柱状曲面的圆周传播，即可实现绕射传播，在柱坐标系中，辐射平面波的波矢表示为
Figure GDA0002816057100000058
则在圆柱状曲面结构上各阻抗表面单元11的表面阻抗Zs基于全息原理的干涉图分布表达式为：
Zs＝j[X+Mcos(k0nr1-kρRφ)]
其中，kt为辐射平面波沿x方向的切向波数，R为圆柱状曲面的曲率半径，φ表示圆柱状曲面圆周上任意一点对应的圆心角，kρ为辐射平面波沿着圆柱面圆周方向的波数，X和M分别表示平均表面阻抗的大小和调制深度。
全息阻抗表面1的平均表面折射率n的计算公式为：
Figure GDA0002816057100000059
其中，c为自由空间中的光速，ω为工作频率对应的角频率，φ为阻抗表面单元在切向上的相位差。
任一阻抗表面单元11的表面阻抗的计算公式为：
Figure GDA0002816057100000061
其中，φx和φy分别表示阻抗表面单元在x和y方向上的相位差，考虑到该阻抗表面单元为标量单元，其表面阻抗大小不受表面波传播方向的影响，因此设置φy＝0。
参照图4，改变方形金属贴片112的尺寸，即改变g的大小，相对应阻抗表面单元11的表面阻抗不同，通过曲线拟合得到阻抗表面单元11的表面阻抗Zs与g的关系式为：
Zs＝-69.9458g3+248.9734g2-321.6618g+303.6017
若已知某一位置所需的表面阻抗则可通过上式确定阻抗表面单元11上方形金属贴片112的尺寸。
实施例2，本实施例为平面结构，即实施例1中间部分圆柱状曲面的曲率半径R趋于无穷大，其余结构均与实施例1相同，用于实现端射辐射特性的平面结构表面波天线。
参照图2，全息阻抗表面1沿x轴的长度为255mm，沿y轴的长度为220mm，阻抗表面单元11所在位置坐标沿坐标x的变化区间为[-30mm，225mm]，沿坐标y的变化区间为[-110mm，110mm]，沿坐标z的变化区间为[0mm，1.5mm]。
所述基于全息原理的干涉图分布，其对应的参考波为单极子馈源2产生的圆柱形表面波，对应的目标波为全息阻抗表面1端射方向上的辐射平面波，圆柱形表面波和辐射平面波与实施例1中平面结构上的电场表达式相同，则各阻抗表面单元11的表面阻抗Zs基于全息原理的干涉图分布表达式为：
Zs＝j[X+Mcos(k0nr1-ktx)]
其中，kt为辐射平面波沿x方向的切向波数，X和M分别表示平均表面阻抗的大小和调制深度。
以下结合仿真实验结果，对本发明的技术效果作进一步详细描述。
1.仿真条件：
使用电磁仿真软件CST 2017对上述实施案例进行仿真。
2.仿真内容
仿真1，对本发明实施例1在频率15GHz下的远场辐射方向图进行仿真，其结果如图5所示；
仿真2，对本发明实施例1和实施例1阻抗表面单元未印制方形金属贴片的结构在频率15GHz下的近场辐射进行仿真，其结果如图6所示；
仿真3，对本发明实施例2在频率15GHz下的远场辐射方向图进行仿真，其结果如图7所示；
仿真4，对本发明实施例2和实施例2阻抗表面单元未印制方形金属贴片的结构在频率15GHz下的近场辐射进行仿真，其结果如图8所示；
3、仿真结果分析
参照图5，本发明实施例1在15GHz下θ＝90°方向上的二维增益曲线图，仿真结果说明，实施例1在端射方向即θ＝90°方向上实现了高定向性波束，其增益为10.8dB。
参照图6，图6中的(a)为实施例1阻抗表面单元未印制方形金属贴片的结构在15GHz频率时的表面电场强度分布图，结果表明单极子馈源产生了圆柱形表面波，图6中的(b)为本发明实施例1在15GHz频率时的电场强度分布图，仿真结果说明，圆柱形表面波经过阻抗调制后，形成平整的平面波前。
参照图7，本发明实施例2在15GHz下θ＝90°方向上的二维增益曲线图，仿真结果说明，实施例2在端射方向即θ＝90°方向上实现了高定向性波束，其增益达到12.2dB。
参照图8，图8中的(a)为实施例1阻抗表面单元未印制方形金属贴片的结构在15GHz频率时的电场强度分布图，结果表明单极子馈源产生了圆柱形表面波，图8中的(b)为实施例2在15GHz频率时的电场强度分布图，仿真结果说明，圆柱形表面波在经过阻抗调制后，形成平整的平面波前。
综上，本发明实现了一种基于全息超表面的共形表面波天线，单极子馈源产生的圆柱形表面波通过阻抗调制后在天线的另一端形成平整的平面波前，在端射方向形成高定向性波束，结构简单易于制造，且本发明可应用于诸多实际场景中。
以上描述仅是本发明的优选实施方式，并不对本发明构成限制，对于本领域的普通技术人员来说，均可在不脱离本发明创新构思的前提下所做出的若干变形和改进，但这些改变均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于全息超表面的共形表面波天线，其特征在于：包括全息阻抗表面(1)和单极子馈源(2)，其中：
所述全息阻抗表面(1)，包括m×n个周期性排布的阻抗表面单元(11)，m≥40，n≥40，所述阻抗表面单元(11)包括介质板(111)、印制在介质板(111)上表面中心位置的方形金属贴片(112)和下表面的金属地板(113)；所述全息阻抗表面(1)的中间部分为圆柱状曲面，该圆柱状曲面曲率变化方向的两端分别连接有平面结构，且两个平面结构共面，所有阻抗表面单元(11)的表面阻抗基于全息原理的干涉图分布，所述方形金属贴片(112)的尺寸通过其所处位置的表面阻抗确定，所有方形金属贴片(112)形成明暗相间的V字形条纹；
所述单极子馈源(2)固定在全息阻抗表面(1)中任意一个平面结构上；
所述全息阻抗表面(1)通过将单极子馈源(2)产生的圆柱形表面波调制成平整的平面波前，实现在该全息阻抗表面(1)端射方向上的高定向性波束；
所述基于全息原理的干涉图分布，其对应的参考波为单极子馈源(2)产生的圆柱形表面波，对应的目标波为全息阻抗表面(1)端射方向上的辐射平面波，其中：
圆柱形表面波的电场ψref的表达式为：
Figure FDA0002028217910000011
辐射平面波的电场ψobj的表达式为：
Figure FDA0002028217910000012
其中，k0为自由空间波数，n为全息阻抗表面的平均表面折射率，r1为全息阻抗表面上任意一点沿表面与单极子馈源的距离，
Figure FDA0002028217910000013
为全息阻抗表面上任意一点相对于单极子馈源所在位置的位置矢量，
Figure FDA0002028217910000014
为辐射平面波的波矢，其中：
在平面结构部分，
Figure FDA0002028217910000015
沿着平面直角坐标系的x轴正方向，即
Figure FDA0002028217910000016
则平面结构上各阻抗表面单元的表面阻抗Zs基于全息原理的干涉图分布表达式
为：Zs＝j[X+Mcos(k0nr1-ktx)]
在圆柱状曲面结构部分，
Figure FDA0002028217910000021
沿着圆柱状曲面的圆周方向，在柱坐标系中，辐射平面波的波矢表示为
Figure FDA0002028217910000022
则在圆柱状曲面结构上各阻抗表面单元的表面阻抗Zs基于全息原理的干涉图分布表达式为：
Zs＝j[X+Mcos(k0nr1-kρRφ)]
其中，kt为辐射平面波沿x方向的切向波数，R为圆柱状曲面的曲率半径，φ表示圆柱状曲面圆周上任意一点对应的圆心角，kρ为辐射平面波沿着圆柱面圆周方向的波数，X和M分别表示平均表面阻抗的大小和调制深度。
2.根据权利要求1所述的基于全息超表面的共形表面波天线，其特征在于：所述阻抗表面单元(11)，其中的方形金属贴片(112)的中心位于介质板(111)的中心法线上，且方形金属贴片(112)两条对角线与所在介质板(111)表面的两条对角线重合，该阻抗表面单元(11)的表面阻抗Zs与方形金属贴片(112)的尺寸的关系式为：
Zs＝-69.9458g3+248.9734g2-321.6618g+303.6017
其中，g为介质板的边长与方形金属贴片边长之间的差。
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