CN112688046B - 一种近场聚焦全息阵列天线及调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种近场聚焦全息阵列天线及调控方法，包括SIW波导及同轴馈电结构，所述SIW波导的上表面及下表面分别设置上层金属板及下层金属板，所述上层金属板设置缝隙辐射单元，所述SIW波导中填充波导介质材料，所述波导介质材料中插入金属柱，所述SIW波导的两侧设置延伸波导，所述延伸波导的末端加载超材料吸收边界，所述缝隙辐射单元包括缝隙阵列，每个缝隙设置射频开关，所述同轴馈电结构设置在SIW波导的中心处，向两侧的延伸波导传播TE₁₀模电磁波。本发明天线，通过近场聚焦，令辐射能量尽可能地聚集在焦点处，聚焦的效果非常明显。

Description

一种近场聚焦全息阵列天线及调控方法

技术领域

本发明涉及全息天线技术领域，具体涉及一种近场聚焦全息阵列天线及调控方法。

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。2012年Darwin Blanco和Eva Rajo-Iglesias通过在平面平行波导中激励TM₀模的电磁波，根据平行波导上的相位分布和焦点位置对平行波导上的辐射单元进行控制，实现近场聚焦的效果

全息天线技术是通过微波材料与工艺，将目标波束集成记录在全息结构上，当用源天线给全息结构馈电时，通过衍射可以还原出目标波束。全息天线技术很好的兼顾了天线的性能、成本及体积，是毫米波天线的一个重要发展分支。

现在已经提出了很多用于全息结构设计的方法，比如在干涉场极小值位置放置金属条，根据阻抗表面综合设计的不同尺寸的金属贴片阵列，并于阵列中心处用偶极子馈电。此外，横向馈电的纵向矩形波导缝隙阵，同轴馈电的径向波导中的单一缝隙阵，反射消除缝隙对螺旋阵，偶极子，以及介质谐振天线均能实现全息结构的构建。

在实际工作中，聚焦阵列天线可应用于输能过程中。与传统的输能天线相比，聚焦阵列天线能够通过聚焦提升能量传输效率，减少传输过程中的能量损耗。通过改进聚焦阵列天线，形成多个焦点的辐射聚焦，能够将天线应用与多波束通信中，提高能量利用效率，在通信距离不变的条件下，提高不同方位用户的通信质量。在低轨卫星的工作过程中，卫星与地面的通信需要电磁波穿过大气层，较大的通信距离严重的降低了通信的质量；如果采用聚焦天线的技术，能将卫星天线平行发送到地面的电磁波能量汇集在单点上，提升地面基站所接收到的能量，减少通信距离导致的信息失真，也能够节约卫星用于通信的能量。相较于2/3/4G通信，5G/6G通信的基站由于极大的提高工作频率，信号在传输途径上的衰减极为明显，这导致了信号随距离增加而急剧减小；如果采用聚焦的方法进行信号的输送，将平行传输的能量聚焦于多个点上，既能同时为多个方位提供5G/6G通信服务，又能提高高频基站的信号有效传输距离。

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近场聚焦全息阵列天线。本发明天线基于全息原理，能够在近场区域实现单点的能量聚焦。

本发明的次要目的是提供一种近场聚焦全息阵列天线的调控方法。

本发明的首要目的采用如下技术方案：

一种近场聚焦全息阵列天线，包括SIW波导及同轴馈电结构，所述SIW波导的上表面及下表面分别设置上层金属板及下层金属板，所述上层金属板设置缝隙辐射单元，所述SIW波导中填充波导介质材料，所述波导介质材料中插入金属柱，所述SIW波导的两侧设置延伸波导，所述延伸波导的末端加载超材料吸收边界，所述缝隙辐射单元包括缝隙阵列，每个缝隙设置射频开关，所述同轴馈电结构设置在SIW波导的中心处，向两侧的延伸波导传播TE₁₀模电磁波。

进一步，所述超材料吸收边界包括周期性排列的方形贴片、介质层及金属层，所述金属层设置在介质层的下表面，介质层的上表面设置方形贴片。

进一步，所述射频开关包括依次连接的滤波枝节、低通馈电枝节及开关管，所述开关管两侧设置金属贴片，一侧金属贴片设置在低通馈电枝节与开关管之间，且与开关管的正极连接，另一侧金属贴片与开关管的负极连接，两侧的金属贴片在开关管导通时形成短路，使得缝隙无法工作，关闭缝隙辐射单元。

进一步，与开关管负极连接的金属贴片通过短路金属柱与上层金属板连接。

进一步，开关管两侧的金属贴片对称设置，两侧的金属贴片通过与上层金属板形成等效电容和电感，产生并联谐振，实现金属贴片与上层金属板之间的短路。

进一步，所述SIW波导为一个两端口的等幅功分器，等幅功分器的两个输出端口分别与延伸波导连接。

进一步，缝隙阵列中，相邻缝隙间隔十分之一波长。

进一步，所述同轴馈电结构包括同轴线，同轴线的内芯接波导介质材料，外芯接下层金属板，信号有SMA头馈入。

进一步，所述开关管为pin管或变容二极管。

本发明的次要目的采用如下技术方案

一种近场聚焦全息阵列天线的调控方法，调控方法采用基于幅度加权方法，具体为：

步骤1：根据相位计算公式和预设焦点的直角坐标写出自由空间中预设焦点对应的单元激励相位加权公式：

A＝cos(∠ψ₀-∠(ψ_r)^*)

步骤2：计算出SIW波导上层金属板上每个缝隙的相位加权分布，得到一个二维矩阵，并通过公式对矩阵中的值进行判决：

使所得矩阵元素值只有0和1，其中T为预设的阈值；

步骤3：根据步骤2所得矩阵中1/0值确定每个对应位置处射频开关的状态，通过FPGA控制电路和直流偏置网络，为所有射频开关施加相应的直流偏置电压以控制其通断，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；

步骤4：若预设焦点的位置发生改变，则重复上述步骤1至步骤3。

本发明的有益效果：

(1)本发明提出了不同于全息波束赋形的全息聚焦概念，通过数字编码控制缝隙阵列中工作的缝隙位置和数目，在近场辐射区域能有效的在单个目标点形成焦点，将辐射能量显著地汇聚与目标焦点，能够与能量传输相结合，提高短距离能量的输送效率。

(2)相较于大型的全息阵列天线，本发明采用了SIW结构，具有体积小，结构简单的优势，更利于实现高集成度的射频系统。

(3)相比于贴片天线或者偶极子天线，缝隙天线阵列易于加工，并且排列更为密集。采用缝隙阵列天线的形式进行全息聚焦，能够扩大天线的辐射口径，进而提高天线的辐射效率，增强能量聚焦的效果。

附图说明

图1是本发明近场全息聚焦阵列天线具体实施的10x200阵列俯视图；

图2是本发明近场全息聚焦阵列天线的分解结构示意图；

图3是本发明实施例的超材料吸收边界立体示意图；

图4是本发明实施例的超材料吸收边界周期单元分解结构示意图；

图5是本发明实施例的射频开关加载的缝隙单元结构立体示意；

图6是本发明实施例的不带短路金属柱的射频开关加载的缝隙单元结构立体示意；

图7是本发明一个10x200阵列实例在x＝0,y＝0,z＝120mm的焦点聚焦的仿真结果图。

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4所示，一种近场聚焦全息阵列天线，包括SIW波导及同轴馈电结构7，同轴馈电结构与SIW波导相连接，用于控制两侧延伸波导的输入功率尽可能相同并计算延伸波导上的电磁波相位分布。所述同轴馈电结构，同轴线内芯插入SIW波导介质材料3，外芯接径向波导下层金属板6,信号由SMA头馈入，在SIW波导中心处向两侧的延伸波导传播TE₁₀模电磁波。

所述SIW波导为矩形结构，SIW波导的上表面及下表面分别设置上层金属板1及下层金属板6，所述上层金属板设置缝隙辐射单元2，所述缝隙辐射单元包括N×M个缝隙构成的缝隙阵列，每个缝隙设置射频开关，SIW波导内腔填充Rogers RO4003介质材料，波导介质材料3中打入多个金属化过孔，插入金属柱4，用于形成波导结构相当于波导壁。SIW波导的两侧设置延伸波导，所述延伸波导的末端加载超材料吸收边界5。

所述SIW波导结构包括一个两端口的等幅功分器，等幅功分器的两个输出分别与延伸波导连接，等幅功分器用于均匀分配输入到SIW延伸波导中的功率。

通过调整功分器尺寸以及功分器SIW结构中插入的金属柱的位置和尺寸，令功分结构将输出功率平均分配到功分端口的延伸波导中。进一步，控制功分器输出到SIW延伸波导中的能量相等，进而令SIW延伸波导上分布的缝隙单元辐射相等的能量，提高整个天线辐射口径。

通过等幅功分结构的端口输出相位和SIW延伸波导的相位传播计算SIW波导馈电结构上缝隙辐射单元的相位分布，即全息近场聚焦模型中参考波的相位分布。

所述缝隙辐射单元中的缝隙长度约为0.22倍波长，宽度约为0.045倍波长。

所述延伸波导宽度略小于0.5倍波长，高度为0.137倍波长，长度大于10倍波长。

所述SIW波导中的金属柱直径为0.027倍波长，金属柱圆心间距为0.072倍波长。

所述功分器输入到SIW波导的功率均为等幅的。

所述同轴馈电结构伸入功分器深度为0.1倍波长。

如图3所示，超材料吸收边界包括：周期性排列的方形贴片8、介质层9及金属层10，所述金属层设置在介质层的下表面，介质层的上表面设置周期性排列的方形贴片。介质层为矩形，具体为高损耗介质FR4材料，金属层为高电导率金属薄层。超材料吸收边界通过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，未辐射的多余SIW波导电磁波能量，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。

所述缝隙阵列设置在上层金属板，多个缝隙在金属板上均匀分布，相邻缝隙之间的间隔为十分之一波长，本实施例中的间隔为1mm,适当减小缝隙的间隔能够在不影响缝隙的控制时提高缝隙的密度，增加筛选出的辐射缝隙数，提高整体增益。

如图5所示，所述射频开关包括依次连接的滤波枝节、低通馈电枝节12及开关管11，所述开关管为pin二极管或变容二极管，所述开关管两侧设置金属贴片，一侧金属贴片设置在低通馈电枝节与开关管之间，且与开关管的正极连接，另一侧金属贴片与开关管的负极连接，两侧的金属贴片在开关管导通时形成短路，使得缝隙无法工作，关闭缝隙辐射单元。

本实施例中两侧的金属贴片与二极管正极连接的称为左侧金属贴片13，与负极连接称为右侧金属贴片14。

当低通馈电枝节上不加载直流电源时，所加的pin二极和金属贴片对缝隙辐射没有影响，缝隙辐射单元正常辐射。当低通馈电枝节上加载有直流电源时，对通过的电流产生低通滤波效果，滤除掉其中23GHz-30GHz的高频分量，减少对辐射缝隙的影响。低通馈电枝节作为直流偏置电路为PIN二极管提供直流电压。左侧金属贴片与SIW波导上层金属板之间形成一个很大的等效电容，而此左侧金属贴片在高频的条件下等价于一个电感，因此左侧金属贴片和上金属板之间在高频的条件下相当产生了并联谐振，由此产生了短路的效果。

右侧金属贴片与上层金属板之间实现短路有两种方式，一是右侧金属贴片通过短路金属柱15与上层金属板连接，也相当于两者之间短路。当直流电源使pin管导通时，pin管左右两侧的金属贴片短路，因此两个金属贴片令下方的辐射缝隙两侧短路，缝隙单元无法正常工作，起到了关闭缝隙单元的作用。

如图6所示，另一种方式为：两侧金属贴片对称设置在开关管的两侧，也就是与开关管的距离相等，左右两侧的金属贴片均通过形成等效电容和电感，产生并联谐振，实现金属贴片与SIW波导上表面金属板之间的短路。

本实施例中，工作频段为26.5-28GHz，其对应的缝隙天线单元以及相应的射频开关的尺寸标注图如图5所示，具体参数如下：

L＝2.45mm，W＝0.5mm，L1＝1.5mm，W1＝2mm，L2＝2mm，W2＝0.1mm，L3＝1.2mm，W3＝1mm，S＝0.8mm，D＝0.3mm，H＝1.524mm。本实施例中所述用于填充SIW波导的介质材料采用Rogers4003板材，相对介电常数为3.55，长度为L0＝208.9mm，高度为H＝1.524mm,宽度为W0＝60.6mm。中心频率为27GHz,对应的缝隙单元间距为1/10个导波波长，为1mm,阵元数量为10x200。

本实施例天线的调控方法采用基于幅度加权公式的调控方法，其公式与步骤如下：

步骤1：根据相位计算公式和预设焦点的直角坐标写出自由空间中预设焦点对应的单元激励相位加权公式：

A＝cos(∠ψ₀-∠(ψ_r)^*)

步骤2：计算出所述SIW矩形波导上表面金属板上每个缝隙单元处的相位加权分布，得到一个二维矩阵，并通过公式对矩阵中的值进行判决：

来判决，使所得矩阵元素值只有0和1，其中T为预设的阈值，聚焦需要精准的相位，因此阈值范围取0.9-1，通过阈值调控辐射单元的工作状态。

步骤3：根据步骤2所得矩阵中1/0值确定每个对应位置处射频开关的状态，通过FPGA控制电路和直流偏置网络，为所有射频开关施加相应的直流偏置电压以控制其通断。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；

步骤4：若预设焦点的位置发生改变，则重复上述步骤1至步骤3。

本天线根据光的干涉原理，SIW波导上的缝隙分布相当于参考波射入时与目标辐射场在波导平面上共同形成的干涉条纹，利用得到的干涉条纹控制缝隙上方的射频开关。

根据光的成像原理，令参考波激励干涉条纹，若得到的目标辐射场与参考波的相位相反，则由时域上的反演得知，干涉条纹在空间中形成的辐射场会汇聚于目标辐射场的焦点。

本发明利用光学的成像和干涉原理，通过时间反演，结合计算所得的辐射缝隙相位分布，以相位公式和对缝隙单元开关状态的加权公式计算得到形成单点聚焦所需的缝隙开关矩阵。全息阵列通过近场聚焦，令辐射能量尽可能地聚集在焦点处。

如图7所示，是本发明一个10x200实施例提供的近场聚焦全息阵列天线的辐射能量分布图。近场聚焦全息阵列的预设焦点位于x＝0,y＝0,z＝120mm处，仿真得到的能量分布在预设焦点处形成了一个明显的焦点，且焦点以焦斑的形式存在，得到的焦斑的3dB宽度为0.7倍工作波长，约为3mm。除了少部分距离SIW波导缝隙阵列辐射平面很近的空间外，焦斑以外的空间能量分布均比焦斑处的能量低15dB以上。

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，根据预设焦点相对同轴馈电线中心的直角坐标，利用时间反演来确定每个缝隙上方的PIN二极管是否导通，控制对应的缝隙单元的工作与否。具体而言，在本发明中参考波为同轴馈电结构激发的沿SIW矩形波导传播的TE₁₀模电磁波，根据SIW等幅功分器和SIW延伸波导计算得到参考波在波导上表面金属板上的相位分布，基于相位加权公式进行筛选：

A＝cos(∠ψ₀-∠(ψ_r)^*)

其中ψ₀为参考波在缝隙辐射单元处的相位，ψ_r为缝隙辐射单元在预设焦点处的辐射相位。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：

对应的相位差值范围在-6°～+6°。

本发明天线，通过近场聚焦，令辐射能量尽可能地聚集在焦点处，聚焦的效果非常明显，有通过SIW馈电波导结构简化天线总体结构，具有体积小，易集成的优势。

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 (9)

1.一种近场聚焦全息阵列天线，其特征在于，包括SIW波导及同轴馈电结构，所述SIW波导的上表面及下表面分别设置上层金属板及下层金属板，所述上层金属板设置缝隙辐射单元，所述SIW波导中填充波导介质材料，所述波导介质材料中插入金属柱，所述SIW波导的两侧设置延伸波导，所述延伸波导的末端加载超材料吸收边界，所述缝隙辐射单元包括缝隙阵列，每个缝隙设置射频开关，所述同轴馈电结构设置在SIW波导的中心处，向两侧的延伸波导传播TE₁₀模电磁波；

所述射频开关包括依次连接的滤波枝节、低通馈电枝节及开关管，所述开关管两侧设置金属贴片，一侧金属贴片设置在低通馈电枝节与开关管之间，且与开关管的正极连接，另一侧金属贴片与开关管的负极连接，两侧的金属贴片在开关管导通时形成短路，使得缝隙无法工作，关闭缝隙辐射单元。

2.根据权利要求1所述的一种近场聚焦全息阵列天线，其特征在于，所述超材料吸收边界包括周期性排列的方形贴片、介质层及金属层，所述金属层设置在介质层的下表面，介质层的上表面设置方形贴片。

3.根据权利要求1所述的一种近场聚焦全息阵列天线，其特征在于，与开关管负极连接的金属贴片通过短路金属柱与上层金属板连接。

4.根据权利要求1所述的一种近场聚焦全息阵列天线，其特征在于，开关管两侧的金属贴片对称设置，两侧的金属贴片通过与上层金属板形成等效电容和电感，产生并联谐振，实现金属贴片与上层金属板之间的短路。

5.根据权利要求1所述的一种近场聚焦全息阵列天线，其特征在于，所述SIW波导为一个两端口的等幅功分器，等幅功分器的两个输出端口分别与延伸波导连接。

6.根据权利要求1所述的一种近场聚焦全息阵列天线，其特征在于，缝隙阵列中，相邻缝隙间隔十分之一波长。

7.根据权利要求1所述的一种近场聚焦全息阵列天线，其特征在于，所述同轴馈电结构包括同轴线，同轴线的内芯接波导介质材料，外芯接下层金属板，信号由SMA头馈入。

8.根据权利要求1所述的一种近场聚焦全息阵列天线，其特征在于，所述开关管为pin管或变容二极管。

9.一种基于权利要求1-8任一项所述的近场聚焦全息阵列天线的调控方法，其特征在于，调控方法采用基于幅度加权方法，具体为：

步骤1：根据相位计算公式和预设焦点的直角坐标写出自由空间中预设焦点对应的单元激励相位加权公式：

A＝cos(ψ₀-(ψ_r)^*)

其中，ψ₀为参考波在缝隙辐射单元处的相位，ψ_r为缝隙辐射单元在预设焦点处的辐射相位；

步骤2：计算出SIW波导上层金属板上每个缝隙的相位加权分布，得到一个二维矩阵，并通过公式对矩阵中的值进行判决：

使所得矩阵元素值只有0和1，其中T为预设的阈值；

步骤3：根据步骤2所得矩阵中1/0值确定每个对应位置处射频开关的状态，通过FPGA控制电路和直流偏置网络，为所有射频开关施加相应的直流偏置电压以控制其通断，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；

步骤4：若预设焦点的位置发生改变，则重复上述步骤1至步骤3。

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