CN111585028B - 一种数字编码全息天线及其调控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种数字编码全息天线及其调控方法，包括控制电路及径向波导，所述径向波导包括顶层金属板及底层金属板，所述顶层金属板的上表面加载偶极子辐射单元，径向波导的周围加载超材料吸收边界，且与顶层金属板及底层金属板构成空腔，底层金属板设置同轴馈电结构，所述偶极子辐射单元为偶极子单元阵列，每个偶极子单元加载射频开关，所述射频开关与控制电路连接。

Description

一种数字编码全息天线及其调控方法
技术领域
本发明涉及全息天线技术领域，具体涉及一种数字编码全息天线及其调控方法。
背景技术
全息原理起源起物理光学，是指利用全息结构来记录参考波和物波相干形成的干涉条纹，得到全息结构，再用参考波照射该全息结构衍射出物波。相比于传统的只能记录光照强度的胶片，全息结构可以同时记录物波的强度和相位信息，因此可以实现物体图像的重现。
不像光学领域有众多可以记录波束干涉信息的材料，微波领域中记录材料一直是一个难以解决的问题，这也在很长一段时间阻碍了全息技术在微波领域的应用。1968年,由P.F.Checcacci第一次将全息技术应用于微波领域，他们通过调整硬石蜡板的厚度、金属贴片的面积以及金属条带的位置等方式实现全息图案的记录，并基于此设计了一款VHF频段的全息天线。2007年，P.Sooriyadevan根据电磁场唯一性定理，通过在干涉场极小值点放置金属条带来模拟理想电壁的边界条件，实现了全息图案的记录，不过这种全息结构仅仅记录了干涉场的极小值，对全息图案的记录还不够精确，还原出来的物波与原波误差较大。2010年Bryan H.Fong等人利用不同尺寸的金属贴片结构和构建标量和张量阻抗表面作为全息结构。但由于贴片尺寸一经设计后固定，只能辐射单一角度小事，不具备波束扫描能力。T.Sleasman等人提出了基于微带线一维缝隙阵漏波结构的可重构全息超表面天线，实现了一维波束扫描,但无法实现方位角和俯仰角同时偏转。对于二维波束扫描天线，OkanYurduseven等人提出基于RLSA(radial line slot antenna)的多波束全息结构天线,应用贝塞尔函数来表征电磁场分量，并以此来计算分布相位分布。但其辐射单元是单一缝隙而没有做成反射消除处理缝隙对，缝隙辐射特性随缝隙位置变化较大，且边界在口径辐射效率不高时反射现象严重；R.Guzmán-Quirós等人提出了一种基于EBG结构的FP谐振腔型天线，但只能在几个固定的方位角上实现波束扫描，且扫描范围仅±15°。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明的首要目的是提供一种数字编码全息天线，本天线基于全息原理，既能实现2D平面的大角度扫描性能，又尽量保证不引入额外的插损。
本发明的次要目的是提供一种数字编码全息天线的调控方法，能实现全息波束赋形和波束指向角度快速切换。
本发明的首要目的是采用如下技术方案实现：
一种数字编码全息天线，包括控制电路，还包括径向波导，所述径向波导包括顶层金属板及底层金属板，所述顶层金属板的上表面加载偶极子辐射单元，径向波导的周围加载超材料吸收边界，且与顶层金属板及底层金属板构成空腔，底层金属板设置同轴馈电结构，所述偶极子辐射单元包括偶极子单元阵列，每个偶极子单元加载射频开关，所述射频开关与控制电路连接。
所述超材料吸收边界为周期性排列的亚波长结构。
所述控制电路包括相互连接的FPGA芯片与直流偏置电路，所述直流偏置电路通过施加直流偏置电压控制射频开关的通断。
所述同轴馈电结构包括同轴线，其内芯连接径向波导的顶层金属板，外芯连接径向波导的底层金属板，馈电信号从SMA头馈入。
所述顶层金属板与底层金属板之间距离小于二分之一导波波长。
所述射频开关为PIN二极管或变容二极管。
所述顶层金属板的上表面中间位置刻蚀一个圆孔，探针通过圆孔深入径向波导中耦合径向电磁波能量，每个偶极子单元通过耦合馈线与探针连接，所述耦合馈线加载射频开关。
所述径向波导为矩形。
所述探针为0.2个导波波长。
本发明的次要目的是采用如下技术方案实现：
一种数字编码全息天线的调控方法，采用基于幅度加权公式的调控方法，具体为：
根据幅度加权技术以及预设目标波的波束方位角和俯仰角写出自由空间中目标波的单元激励连续幅度加权公式
获得径向波导顶层金属板的每个偶极子单元的加权幅度，并对加权幅度中的值采用判决公式进行判决，最后得到矩阵元素值只有0和1；
当矩阵元素值为1时，施加射频开关的直流偏置电压大于其导通阈值，导通对应射频开关，元素值为0时施加的直流偏置电压小于其导通阈值，断开对应射频开关，实现预设目标波波束方向。
本发明的有益效果：
(1)本发明在通带内有良好而稳定的辐射性能，可轻松实现任意指向的波束，实现波束在俯仰角和方位角上的扫描；
(2)本发明为二维偶极子阵全息天线，相比于二维的单一缝隙阵和反射消除缝隙对阵，具有单元辐射性能稳定，单元功率分配均匀，边界处反射小的优势；
(3)本发明与现有的大规模相控阵天线相比，具有成本低、结构简单，适用于高集成度的射频系统；
(4)本发明没有多级多路功分器，因此在本发明基础上设计的毫米波天线的插损非常低，有利于器件的低廉化和集成化。
附图说明
图1是本发明一种数字编码全息天线的阵列分解结构示意图；
图2是本发明图1的俯视图；
图3是本发明图1的侧视图；
图4是本发明单个偶极子单元的结构示意图；
图5是本发明的超材料吸收边界示意图；
图6是本发明亚波长结构的分解结构示意图；
图7是偶极子单元阵列28x28的全息天线在平面方向图的仿真结果图；
图8是偶极子单元阵列28x28的全息天线在波束指向为phi＝60°，theta＝30°时，在27.5～29.5GHz的设计频段内的辐射示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1、图2及图3所示，一种数字编码全息天线，包括控制电路及径向波导，所述径向波导包括顶层金属板2及底层金属板4，本实施例中，径向波导为矩形，在矩形径向波导的周围加载超材料吸收边界3，也就是在顶层金属板及底层金属板之间间隔的空间四周包围超材料吸收边界，与顶层金属板及底层金属板构成矩形腔体。
顶层金属板的上表面加载偶极子辐射单元1，并在顶层金属板的中间位置刻蚀直径为0.6mm的圆孔，通过一根长为2mm的探针深入到径向波导中，用于耦合径向电磁波能量，以激励单元辐射。
探针的长度约为中心辐射频率的五分之一等效波长。
所述偶极子辐射单元为偶极子单元阵列，偶极子辐射臂末端弯折以紧凑排列，构成N*M个偶极子单元呈阵列分布，相邻两个偶极子的中心间距为0.35倍波长，每个偶极子与探针连接的馈线上加载射频开关，所述射频开关优选PIN二极管，所述控制电路包括相互连接的FPGA芯片和直流偏置电路，直流偏置电路与射频开关连接，并通过FPGA芯片和直流偏置电路按照所需的波束指向对应计算得的单元工作状态配置，来分别对各个PIN二极管设置直流偏置电压，以控制开关的导通，进一步控制偶极子的工作状态。
所述底层金属板的中间位置设置同轴馈电结构5，所述同轴馈电结构包括同轴线，所述同轴线的内芯301接顶层金属板，外芯302接底层金属板，信号由SMA头馈入，在径向波导中心处向外径向传播柱面电磁波。
本实施例中，径向波导的顶层金属板及底层金属板的结构尺寸均相同，优选方形。
如图5及图6所示，矩形径向波导周围加载四块超材料吸收边界，四块超材料吸收边界围成方形，设置在顶层金属板与底层金属板之间，所述超材料吸收边界由周期性排列的亚波长结构构成，包括附着在PCB上表面呈周期性排列的方形贴片、高电导率金属薄层和高损耗介质FR4，吸收从中心同轴馈电处传播后，未经耦合的多余径向电磁波能量，共同作用实现波导内的行波近似，减少了反射波造成的辐射性能扰动和恶化，在较宽的范围内都有很好的吸波作用。
所述径向波导的高度小于二分之一导波波长，保证主模TM00模传输。
本实施例中，工作频段为27.5-29.5GHz，其对应的偶极子天线单元的尺寸标注图如图4所示，本实施例中偶极子单元具体是微带线平衡巴伦馈电的单面印刷偶极子天线，在一块介质板上一面印刷平衡巴伦馈电结构，另一面印刷偶极子臂，具体尺寸如下：
L1＝1.97mm,L2＝1.55mm,L3＝0.7mm,L4＝3.7mm,L5＝1.4mm,L6＝0.8mm,L7＝2mm,L8＝3mm,W＝58mm,H＝4.5mm。本实施例中所述用于支撑偶极子的介质基板采用Rogers4003板材，相对介电常数为3.38，长度为W＝58mm，高度为L8＝3mm,宽度为0.1mm。中心频率为28GHz，对应的偶极子间距为0.56个导波波长，约为6mm，阵元数量为9x9。
所述偶极子单元阵列中每个偶极子单元的馈线上集成了一个PIN二极管，给二极管施加正向偏置电压时，二极管处于导通状态，耦合通路导通，单元可以正常工作；给PIN二极管施加反向偏置电压时，二极管处于反偏的高阻状态，耦合通路处于断开状态，径向电磁波无法激励单元，不产生有效辐射。
如图7所示，是本发明一个偶极子单元阵列为28x28实施例提供的数字编码全息天线的在phi＝150°处的扫描增益曲线图，波束扫描从0°扫描到60°时，波束增益从22.6dB下降到16.56dB；
如图8所示，是本发明偶极子单元阵列为28x28实施例提供的数字编码全息天线在波束指向为phi＝60°，theta＝30°时，在27.5～29.5GHz的设计频段内有稳定的辐射效率，为62％左右。
通过全息原理计算参考波与目标波干涉形成的干涉场场强来确定每个偶极子耦合馈线处的PIN二极管是否导通。具体而言，在本发明中参考波为同轴馈电结构激发的径向外向柱面波，基于幅度加权公式的归一化单元激励连续幅度函数为：
其中θ0、为天线预设的波束指向，/>为在极坐标系中，辐射单元在径向波导上表面上相对于x轴的方位角，k0为自由空间中的波数。在实际操作中，为了简化开关状态数以及兼顾口径效率，对单元开关状态的加权值取为
对应的角度差值范围在-25°～+25°，其中T为预设的阈值，根据精度取0.5-0.9。上述公式中，借助于Matlab,确定了阵列的维度和以同轴内芯为原点为的极坐标系下，各偶极子单元相对于原点的极径和极角值，只需要在代码内改变输入的预设波束指向的参数θ0、就可以得到任意波束指向下，偶极子阵列上PIN二极管的0/1偏置分布矩阵，对应到FPGA中通过直流偏置电路输出到PIN二极管上的偏置电压，决定其导通状态为为反偏/正偏。元素值为1时施加的直流偏置电压大于其导通阈值，导通对应射频开关，元素值为0时施加的直流偏置电压小于其导通阈值，断开对应射频开关；
若预设目标波波束方向发生改变，重复上述步骤。
本天线工作在28GHz处的各个方向的远场辐射方向图如图7所示，为方位角为150°时，波束在俯仰面上的扫描结果，体现了波束的二维可调控能力；波束在俯仰面上的最大偏转角可达到60°。所用仿真软件为Ansoft HFSSTM V.17。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种数字编码全息天线，包括控制电路，其特征在于，还包括径向波导，所述径向波导包括顶层金属板及底层金属板，所述顶层金属板的上表面加载偶极子辐射单元，顶层金属板的上表面中间位置刻蚀一个圆孔，探针通过圆孔深入径向波导中耦合径向电磁波能量，激励偶极子辐射单元辐射；
所述底层金属板设置同轴馈电结构，所述同轴馈电结构包括同轴线，所述同轴线内芯接顶层金属板，外芯接底层金属板，信号由SMA头馈入，在径向波导中心处向外径向传播柱面电磁波；
径向波导的周围加载四块超材料吸收边界，四块超材料吸收边界围成方形，且与顶层金属板及底层金属板构成空腔，所述偶极子辐射单元包括偶极子单元阵列，每个偶极子单元加载射频开关，所述射频开关与控制电路连接。
2.根据权利要求1所述的一种数字编码全息天线，其特征在于，所述超材料吸收边界为周期性排列的亚波长结构。
3.根据权利要求1所述的一种数字编码全息天线，其特征在于，所述控制电路包括相互连接的FPGA芯片与直流偏置电路，所述直流偏置电路通过施加直流偏置电压控制射频开关的通断。
4.根据权利要求1所述的一种数字编码全息天线，其特征在于，所述顶层金属板及底层金属金属板的结构尺寸均相同。
5.根据权利要求1所述的一种数字编码全息天线，其特征在于，顶层金属板与底层金属板之间距离小于二分之一导波波长。
6.根据权利要求1所述的一种数字编码全息天线，其特征在于，所述射频开关为PIN二极管或变容二极管。
7.根据权利要求1所述的一种数字编码全息天线，其特征在于，每个偶极子单元通过耦合馈线与探针连接，所述耦合馈线加载射频开关。
8.根据权利要求1所述的一种数字编码全息天线，其特征在于，所述径向波导为矩形。
9.根据权利要求7所述的一种数字编码全息天线，其特征在于，所述探针为0.2个导波波长。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的一种数字编码全息天线的调控方法，其特征在于，采用基于幅度加权公式的调控方法，具体为：
根据幅度加权技术以及预设目标波的波束方位角和俯仰角写出自由空间中目标波的单元激励连续幅度加权公式：
；
其中θ0、φ0为天线预设的波束指向，φr为在极坐标系中，辐射单元在径向波导上表面上相对于x轴的方位角，k0为自由空间中的波数；
获得径向波导顶层金属板的每个偶极子单元的加权幅度，并对加权幅度中的值采用判决公式进行判决，最后得到矩阵元素值只有0和1；
当矩阵元素值为1时，施加射频开关的直流偏置电压大于其导通阈值，导通对应射频开关，元素值为0时施加的直流偏置电压小于其导通阈值，断开对应射频开关，实现预设目标波波束方向。
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