CN111769370A - 全息天线及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种全息天线，用于记录干涉图样并重建目标天线发射波形，包括一馈源天线及一全息结构，所述全息结构包括一基板及固定于所述基板的间隔设置的多个金属带，所述金属带的厚度与所述干涉图样的强度呈负相关，所述干涉图样中的干涉强度T出现最小值T1的区域设置厚度为H1的金属带，而干涉强度出现最大值T2的区域设置厚度为H2的金属带，干涉强度T介于最大值T2与最小值T1之间的区域设置厚度为H的金属带，其中，干涉强度T、T1、T2及金属带厚度H、H1、H2之间满足关系：0≤H2≤H≤H1；H＝T×(T2‑T1)/(H1‑H2)。

Description

全息天线及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种全息天线及其制造方法。
背景技术
全息天线通过馈源天线及目标天线发射的辐射波产生干涉场，并在基板上利用全息结构纪录干涉场强度信息以制作全息图样，然后通过馈源天线发射表面波来激励全息图样，重建目标天线所发射的辐射波。
现有技术中，全息结构通常是指与干涉场相似的金属带结构，通常全息结构仅仅记录干涉场中强度最小值的部分，也就是源天线及目标天线辐射波的相位刚好相差半个波长所产生的条纹，并没有考虑其他干涉强度值。但是实际干涉场中却包含了不同相位差所产生的干涉值，即利用全息结构记录的干涉场和实际产生的干涉场具有一定的相位误差，而相位误差会使重建的波形产生失真，进而使全息天线性能受到影响。
发明内容
有鉴于此，有必要提供降低与实际干涉场之间的误差的一种全息天线。
一种全息天线，用于记录干涉图样并重建目标天线发射波形，所述全息天线包括一馈源天线及一全息结构，所述全息结构包括一基板和固定于所述基板上的间隔设置的多个金属带，所述金属带的厚度与所述干涉图样的强度呈负相关，所述干涉图样中的干涉强度T出现最小值T1的区域对应所述金属带厚度为H1，干涉强度出现最大值T2的区域对应所述金属带厚度为H2，干涉强度T介于最大值T2与最小值T1之间的区域对应所述金属带厚度为H，其中，干涉强度T、T1、T2及金属带厚度H、H1、H2之间满足关系：
0≤H2≤H≤H1；H＝T×(T2-T1)/(H1-H2)。
进一步地，所述金属带为椭圆弧带结构，所述金属带的数量大于15个，所述金属带沿靠近所述馈源天线至远离所述馈源天线的方向呈辐射状排列，其中，沿靠近所述馈源天线至远离所述馈源天线的方向排列的第i个金属带的轴向内径为0.66×λ×(2×i-1)，轴向外径为0.66×λ×2×i，其中1≤i≤15，λ为自由空间波长。
进一步地，每一所述金属带包括多个金属贴片，所述金属贴片为正方形薄片结构，所述金属贴片的边长为0.01λ，所述金属贴片相互拼接或重叠形成所述金属带。
进一步地，所述馈源天线为角锥喇叭天线，所述角锥喇叭天线包括矩形波导和与所述矩形波导相连的四个喇叭侧面，四个所述喇叭面依次连接并包围所述矩形波导并于远离所述矩形波导的一端形成一喇叭终端面；其中，
所述矩形波导的长边长度a在1.0cm～1.4cm之间，短边长度b在0.5cm～0.7cm之间，波导长度R1在1.6cm～1.8cm之间。
所述喇叭终端面的长边长度c在4.2cm～4.4cm之间，短边长度d在1.6cm～1.8cm之间。
所述矩形波导与喇叭面的距离R2在3.2cm～3.6cm之间。所述角锥喇叭天线的口径中心与所述基板的最左侧端点重合。
进一步地，所述基板包括一长方体形的壳体及填充于所述壳体的填充介质，所述填充介质为陶瓷填充的聚四氟乙烯材料。
进一步地，所述基板的长度L1在9.2cm～9.4cm之间，宽度L2在9.2cm～9.4cm之间，厚度L3为0.635cm。
一种如上所述的全息天线的制作方法，包括如下步骤：
S1:选取长度为L1，宽度为L2，厚度为L3的矩形壳体。
S2:在所述基板的表面绘制N个具有相同负半轴及相同左焦点F的椭圆条带，所述椭圆条带构成椭圆族带，从而获得表面覆有椭圆族带的基板，其中N为大于30的自然数。
S3:在表面覆有椭圆族带的基板上，以椭圆族带左焦点F为顶点，裁剪出张角为90°，边长L4在9.2cm～9.4cm之间的菱形基板。
S4:在所述基板的表面上的所述椭圆族带内用金属贴片进行拼接，获得高度相同的弧形的单层金属条带。
S5:在所述基板的所述顶点处安装一馈源天线，使得馈源天线的喇叭侧面的口径中心与菱形基板的所述顶点重合。然后在安装馈源天线附近安装一微波摄像机，所述微波摄像机用于记录干涉强度与位置信息。
S6:启动馈源天线，所述馈源天线与一目标天线于所述基板的表面发生干涉，通过微波摄像机记录不同区域的干涉强度并通过计算将所述干涉强度转化为0～255的灰阶值，通过灰阶值计算对应金属带不同位置处的高度值，拆卸所述微波摄像机。
S7:在所述单层金属条带的基础上，通过所述方形金属贴片的层叠获得由S6中计算的高度值，获得具有变化高度金属带，从而制得所述全息结构。
进一步地，所述壳体的长度L1>50×λ，宽度为L2＞40×λ，并且采用陶瓷填充的聚四氟乙烯材料对所述壳体进行填充，获得所述基板，其中，λ为自由空间波长。
进一步地，所述椭圆族带由靠近所述馈源天线至远离所述馈源天线的方向呈辐射状排列，其中，沿靠近所述馈源天线至远离所述馈源天线的方向排列的第i个椭圆条带的正向轴向的内径为(2×i-1)×λ，正向轴向的外径为2×i×λ。负向轴向的内径为0.66×λ×(2×i-1)，负向轴向的外径为0.66×λ×2×i，其中，λ为自由空间波长。
进一步地，所述金属贴片为铜片，所述金属贴片之间的拼接通过焊接进行，所述金属贴片之间的层叠通过粘接进行。
本发明将传统单独纪录干涉最小值的全息结构，也就是近似于方波的结构，利用数字图像处理技术，改善为更加贴近实际干涉场的弦波函数型结构，从全息理论上来说，此结构能提升全息天线之讯号质量，增加全息天线在未来5G通讯市场中的发展性。
附图说明
图1为本发明提供的一种全息天线的示意图。
图2为图1所示全息天线的馈源天线的结构示意图。
图3A～3F为本发明提供的制作图1所示的全息天线的步骤图。
图4为图3D所示基板沿IV-IV的截面图。
图5为图3F所示全息天线沿V-V的截面图。
主要元件符号说明
全息天线 100
馈源天线 11
角锥喇叭天线 111
矩形波导 113
喇叭侧面 115
喇叭终端面 117
全息结构 13
基板 131
椭圆条带 132
金属带 133
椭圆族带 134
金属贴片 135
单层金属条带 136
壳体 137
填充介质 139
微波摄像机 15
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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他实施方式，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“竖直的”、“水平的”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
1.技术原理
根据全息学原理，两束波干涉能产生全息图样，且当采用其中一束波照射之前获得的全息图样时，可产生另一束波。实际应用中，两束波分别对应馈源天线的辐射场和需要实现重构的目标天线的辐射场，通过全息图样获得对应的全息结构，当馈源天线的辐射场照射全息结构时，即可产生目标天线的辐射场。由馈源天线与全息结构组成的天线即为全息天线。
馈源天线是整个全息天线的激励源，馈源天线必须在E面(E面是指与电场方向平行的方向图切面)能够均匀照射整个全息结构的表面，并在H面(H面是指与磁场方向平行的方向图切面)内实现窄波束。
全息结构是整个全息天线的散射器部分，全息结构必须能很好地模拟馈源天线与目标天线的辐射场的干涉场情况。而在微波频段，对干涉场的记录只能逐点离散地进行。
在此基础上，为了能够很好的模拟馈源天线与目标天线的辐射场的干涉场情况，本发明把干涉条纹的强度信息利用0～255的灰阶值记录，并进而利用此信息来建立更加符合实际干涉场的全息结构，例如干涉强度最小(灰阶值为0)的位置设置为全息结构上的高点，而干涉强度最大(灰阶值为255)的位置设置为全息结构上的低点，再利用干涉强度最小及干涉强度最大之间的灰阶值分布情况，对应设置全息结构的高度便可得出全息结构的理想形状，从而降低相位误差，增进天线信号质量。
2.技术方案
请参见图1，一种全息天线100，用于记录干涉图样(图未示)并重建目标天线(图未示)发射波形，包括一馈源天线11及一全息结构13，所述全息结构13包括一基板131和及固定于所述基板131的间隔设置的多个金属带133，所述金属带133的厚度与所述干涉图样的强度呈负相关，所述干涉图样中的干涉强度T出现最小值T1的区域设置厚度为H1(请参见图5)的所述金属带133，而干涉强度出现最大值T2的区域设置厚度为H2的所述金属带133，干涉强度T介于最大值T2与最小值T1之间的区域设置厚度为H的所述金属带133，其中，干涉强度T、T1、T2及金属带厚度H、H1、H2之间满足关系：
0≤H2≤H≤H1；H＝T×(T2-T1)/(H1-H2)。
进一步地，所述全息结构13整体呈正方形，且所述馈源天线11设于所述全息结构13的一顶点(图未示)附近；所述金属带133为椭圆形的带状结构，所述金属带133包括距所述馈源天线11由近及远依次设置的第1金属带、第2金属带…第i金属带…，及第N金属带，其中1≤i≤N，N为大于15的自然数，第i个金属带的轴向内径为0.66×λ×(2×i-1)，轴向外径为0.66×λ×2×i，其中λ为自由空间波长，例如，第1金属带的轴向内径为0.66×λ，轴向外径为1.32×λ，其中，所述轴向指金属带133的对称轴方向(图1中D1所示方向)，所述内径指第i金属带朝向所述馈源天线11一侧的弧边所在椭圆的长轴(所述长轴为通过连接椭圆上的两个点所能获得的最长线段)，所述外径为第i金属带远离所述馈源天线11一侧的弧边所在椭圆的长轴。
进一步地，每一所述金属带133包括多个金属贴片135，所述金属贴片135为边长是0.01λ的正方形薄片结构，所述金属贴片135拼接或重叠形成所述金属带133。
进一步地，请参见图2，所述馈源天线11为角锥喇叭天线111，所述角锥喇叭天线111包括矩形波导113和与所述矩形波导113相连的四个喇叭侧面115，四个所述喇叭侧面115依次连接并包围所述矩形波导113并于远离所述矩形波导113的一端形成一喇叭终端面117；
所述矩形波导113的长边长度a在1.0cm～1.4cm之间，短边长度b在0.5cm～0.7cm之间，波导长度R1在1.6cm～1.8cm之间；
所述喇叭终端面117的长边长度c在4.2cm～4.4cm之间，短边长度d在1.6cm～1.8cm之间；
所述矩形波导113与喇叭终端面117的距离R2在3.2cm～3.6cm之间；所述角锥喇叭天线111的口径中心与所述基板131的所述顶点重合。
进一步地，请参见图3A，所述基板131包括一长方体形的壳体137及填充于所述壳体137的填充介质139，所述填充介质139选自陶瓷填充的聚四氟乙烯材料。
进一步地，请参见图3A，所述基板131的长度L1在9.2cm～9.4cm之间，宽度L2在9.2cm～9.4cm之间，厚度L3为0.635cm。
请参见图3A～图3F，一种如上所述的全息天线100的制作方法，包括如下步骤：
S1:选取长度为L1，宽度为L2，厚度为L3的矩形壳体137，并且采用陶瓷填充的聚四氟乙烯材料对所述壳体137进行填充，获得一基板131(参见图3A)；
S2:在所述基板131的表面绘制N个具有相同负半轴及相同左焦点F(图3B、3C、3D、3E及3F中F所指位置)的椭圆条带132，所述椭圆条带132构成椭圆族带134，获得表面覆有椭圆族带134的基板131，其中N为大于30的自然数(参见图3B)；
S3:在表面覆有椭圆族带134的基板131上，以椭圆族带134的所述左焦点F为顶点，裁剪出张角为90°，边长L4在9.2cm～9.4cm之间的菱形基板131，所述菱形基板131的对称轴与椭圆的长轴重合(参见图3C)；
S4:在所述基板131的表面上，按照绘制的椭圆弧形条带，用方形金属贴片135对其进行拼接，获得高度相同的弧形的单层金属条带136(参见图3D及图4)；
S5:在所述基板131的所述顶点处安装一馈源天线11，即将馈源天线11的喇叭侧面115的口径中心与菱形基板131的所述顶点重合；然后在安装馈源天线11附近安装一微波摄像机15，所述微波摄像机15用于记录干涉强度及位置信息(参见图3E)；
S6:启动馈源天线11，所述馈源天线11与一目标天线(图未示)于所述基板131的表面发生干涉，通过微波摄像机15记录不同区域的干涉强度并通过计算将所述干涉强度转化为0～255的灰阶值，通过灰阶值计算对应金属带133不同位置处的高度值，拆卸所述微波摄像机15；
S7:在所述单层金属条带136的基础上，通过所述方形金属贴片135的层叠获得相应的高度，获得具有变化高度的金属带133，完成所述全息结构13的制作(参见图3F及图5)。
具体地，在步骤S1中，所述壳体137的长度L1>50×λ，宽度为L2＞40×λ，并且采用陶瓷填充的聚四氟乙烯材料对所述壳体137进行填充，获得基板131，其中“×”为乘号。
在步骤S2中，所述椭圆族带134包括由内向外的第1椭圆条带、第2椭圆条带、第3椭圆条带、……、第i椭圆条带、……及第N椭圆条带，第i个椭圆条带的正向轴向(如图3B～3F中D1所示方向)的内径为(2×i-1)×λ，外径为2×i×λ；负向轴向(如图3B～3F中D1所示方向的相反方向)的内径为0.66×λ×(2×i-1)，外径为0.66×λ×2×i；其中，λ为自由空间波长。
在步骤S7中，所述金属带133的截面呈三角形，并在所述基板131上周期性重复排列，使得所述全息结构13贴近实际干涉场的弦波函数型结构。
在步骤S4与步骤S7中，所述金属贴片135为铜片，所述金属贴片135的拼接通过焊接的方式进行，所述金属贴片135的层叠通过粘接的方式进行。
本发明将传统单独纪录干涉最小值的全息结构，也就是近似于方波的结构，利用数字图像处理技术，改善为更加贴近实际干涉场的弦波函数型结构，从全息理论上来说，此结构能提升全息天线之讯号质量，增加全息天线在未来5G通讯市场中的发展性。
另外，本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上实施例所作的适当改变和变化都落在本发明要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种全息天线，用于记录干涉图样并重建目标天线发射波形，所述全息天线包括一馈源天线及一全息结构，所述全息结构包括一基板和固定于所述基板上的间隔设置的多个金属带，其特征在于，所述金属带的厚度与所述干涉图样的强度呈负相关，所述干涉图样中的干涉强度T出现最小值T1的区域对应所述金属带厚度为H1，干涉强度出现最大值T2的区域对应所述金属带厚度为H2，干涉强度T介于最大值T2与最小值T1之间的区域对应所述金属带厚度为H，其中，干涉强度T、T1、T2及金属带厚度H、H1、H2之间满足关系：
0≤H2≤H≤H1；H＝T×(T2-T1)/(H1-H2)。
2.如权利要求1所述的全息天线，其特征在于，所述金属带为椭圆弧带结构，所述金属带的数量大于15个，所述金属带沿靠近所述馈源天线至远离所述馈源天线的方向呈辐射状排列，其中，沿靠近所述馈源天线至远离所述馈源天线的方向排列的第i个金属带的轴向内径为0.66×λ×(2×i-1)，轴向外径为0.66×λ×2×i，其中1≤i≤15，λ为自由空间波长。
3.如权利要求2所述的全息天线，其特征在于，每一所述金属带包括多个金属贴片，所述金属贴片为正方形薄片结构，所述金属贴片的边长为0.01λ，所述金属贴片相互拼接或重叠形成所述金属带。
4.如权利要求1所述的全息天线，其特征在于，所述馈源天线为角锥喇叭天线，所述角锥喇叭天线包括矩形波导和与所述矩形波导相连的四个喇叭侧面，四个所述喇叭面依次连接并包围所述矩形波导并于远离所述矩形波导的一端形成一喇叭终端面；其中，
所述矩形波导的长边长度a在1.0cm～1.4cm之间，短边长度b在0.5cm～0.7cm之间，波导长度R1在1.6cm～1.8cm之间；
所述喇叭终端面的长边长度c在4.2cm～4.4cm之间，短边长度d在1.6cm～1.8cm之间；
所述矩形波导与喇叭面的距离R2在3.2cm～3.6cm之间；所述角锥喇叭天线的口径中心与所述基板的最左侧端点重合。
5.如权利要求1所述的全息天线，其特征在于，所述基板包括一长方体形的壳体及填充于所述壳体的填充介质，所述填充介质为陶瓷填充的聚四氟乙烯材料。
6.如权利要求5所述的全息天线，其特征在于，所述基板的长度L1在9.2cm～9.4cm之间，宽度L2在9.2cm～9.4cm之间，厚度L3为0.635cm。
7.一种如权利要求1～6任意一项所述的全息天线的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1:选取长度为L1，宽度为L2，厚度为L3的矩形壳体；
S2:在所述基板的表面绘制N个具有相同负半轴及相同左焦点F的椭圆条带，所述椭圆条带构成椭圆族带，从而获得表面覆有椭圆族带的基板，其中N为大于30的自然数；
S3:在表面覆有椭圆族带的基板上，以椭圆族带左焦点F为顶点，裁剪出张角为90°，边长L4在9.2cm～9.4cm之间的菱形基板；
S4:在所述基板的表面上的所述椭圆族带内用金属贴片进行拼接，获得高度相同的弧形的单层金属条带；
S5:在所述基板的所述顶点处安装一馈源天线，使得馈源天线的喇叭侧面的口径中心与菱形基板的所述顶点重合；然后在安装馈源天线附近安装一微波摄像机，所述微波摄像机用于记录干涉强度与位置信息；
S6:启动馈源天线，所述馈源天线与一目标天线于所述基板的表面发生干涉，通过微波摄像机记录不同区域的干涉强度并通过计算将所述干涉强度转化为0～255的灰阶值，通过灰阶值计算对应金属带不同位置处的高度值，拆卸所述微波摄像机；
S7:在所述单层金属条带的基础上，通过所述方形金属贴片的层叠获得由S6中计算的高度值，获得具有变化高度金属带，从而制得所述全息结构。
8.如权利要求7所述的全息天线的制作方法，其特征在于，所述壳体的长度L1>50×λ，宽度为L2＞40×λ，并且采用陶瓷填充的聚四氟乙烯材料对所述壳体进行填充，获得所述基板，其中，λ为自由空间波长。
9.如权利要求7所述的全息天线的制作方法，其特征在于，所述椭圆族带由靠近所述馈源天线至远离所述馈源天线的方向呈辐射状排列，其中，沿靠近所述馈源天线至远离所述馈源天线的方向排列的第i个椭圆条带的正向轴向的内径为(2×i-1)×λ，正向轴向的外径为2×i×λ；负向轴向的内径为0.66×λ×(2×i-1)，负向轴向的外径为0.66×λ×2×i，其中，λ为自由空间波长。
10.如权利要求7所述的全息天线的制作方法，其特征在于，所述金属贴片为铜片，所述金属贴片之间的拼接通过焊接进行，所述金属贴片之间的层叠通过粘接进行。
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