TW202038503A - 全息天線及其製作方法 - Google Patents
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Abstract
一種全息天線，用於記錄干涉圖樣並重建目標天線發射波形，包括一饋源天線及一全息結構，該全息結構包括一基板及固定於該基板的間隔設置的多個金屬帶，該金屬帶的厚度與該干涉圖樣的強度呈負相關，該干涉圖樣中的干涉強度T出現最小值T1的區域設置厚度為H1的金屬帶，而干涉強度出現最大值T2的區域設置厚度為H2的金屬帶，干涉強度T介於最大值T2與最小值T1之間的區域設置厚度為H的金屬帶，其中，干涉強度T、T1、T2及金屬帶厚度H、H1、H2之間滿足關係：0≤H2≤H≤H1;H=T×(T2-T1)/(H1-H2)。
Description
本發明涉及一種全息天線及其製造方法。
全息天線藉由饋源天線及目標天線發射的輻射波產生干涉場，並在基板上利用全息結構紀錄干涉場強度資訊以製作全息圖樣，然後藉由饋源天線發射表面波來激勵全息圖樣，重建目標天線所發射的輻射波。
習知技術中，全息結構通常是指與干涉場相似的金屬帶結構，通常全息結構僅僅記錄干涉場中強度最小值的部分，也就是源天線及目標天線輻射波的相位剛好相差半個波長所產生的條紋，並沒有考慮其他干涉強度值。但是實際干涉場中卻包含了不同相位差所產生的干涉值，即利用全息結構記錄的干涉場和實際產生的干涉場具有一定的相位誤差，而相位誤差會使重建的波形產生失真，進而使全息天線性能受到影響。
有鑑於此，有必要提供降低與實際干涉場之間的誤差的一種全息天線。
一種全息天線，用於記錄干涉圖樣並重建目標天線發射波形，所述全息天線包括一饋源天線及一全息結構，所述全息結構包括一基板和固定於所述基板上的間隔設置的多個金屬帶，所述金屬帶的厚度與所述干涉圖樣的強度呈負相關，所述干涉圖樣中的干涉強度T出現最小值T1的區域對應所述金屬帶厚度為H1，干涉強度出現最大值T2的區域對應所述金屬帶厚度為H2，干涉強度T介於最大值T2與最小值T1之間的區域對應所述金屬帶厚度為H，其中，干涉強度T、T1、T2及金屬帶厚度H、H1、H2之間滿足關係：
0≤H2≤H≤H1;H=T×(T2-T1)/(H1-H2)。
進一步地，所述金屬帶為橢圓弧帶結構，所述金屬帶的數量大於15個，所述金屬帶沿靠近所述饋源天線至遠離所述饋源天線的方向呈輻射狀排列，其中，沿靠近所述饋源天線至遠離所述饋源天線的方向排列的第i個金屬帶的軸向內徑為0.66×λ×（2×i-1），軸向外徑為0.66×λ×2×i，其中1≤i≤15，λ為自由空間波長。
進一步地，每一所述金屬帶包括多個金屬貼片，所述金屬貼片為正方形薄片結構，所述金屬貼片的邊長為0.01λ，所述金屬貼片相互拼接或重疊形成所述金屬帶。
進一步地，所述饋源天線為角錐喇叭天線，所述角錐喇叭天線包括矩形波導和與所述矩形波導相連的四個喇叭側面，四個所述喇叭面依次連接並包圍所述矩形波導並於遠離所述矩形波導的一端形成一喇叭終端面；其中，
所述矩形波導的長邊長度a在1.0cm~1.4cm之間，短邊長度b在0.5cm~0.7cm之間，波導長度R1在1.6cm~1.8cm之間。
所述喇叭終端面的長邊長度c在4.2cm~4.4cm之間，短邊長度d在1.6cm~1.8cm之間。
所述矩形波導與喇叭面的距離R2在3.2cm~3.6cm之間。所述角錐喇叭天線的口徑中心與所述基板的最左側端點重合。
進一步地，所述基板包括一長方體形的殼體及填充於所述殼體的填充介質，所述填充介質為陶瓷填充的聚四氟乙烯材料。
進一步地，所述基板的長度L1在9.2cm~9.4cm之間，寬度L2在9.2cm~9.4cm之間，厚度L3為0.635cm。
一種如上所述的全息天線的製作方法，包括如下步驟：
S1:選取長度為L1，寬度為L2，厚度為L3的矩形殼體。
S2: 在所述基板的表面繪製N個具有相同負半軸及相同左焦點F的橢圓條帶，所述橢圓條帶構成橢圓族帶，從而獲得表面覆有橢圓族帶的基板，其中N為大於30的自然數。
S3:在表面覆有橢圓族帶的基板上，以橢圓族帶左焦點F為頂點，裁剪出張角為90°，邊長L4在9.2cm~9.4cm之間的菱形基板。
S4:在所述基板的表面上的所述橢圓族帶內用金屬貼片進行拼接，獲得高度相同的弧形的單層金屬條帶。
S5:在所述基板的所述頂點處安裝一饋源天線，使得饋源天線的喇叭側面的口徑中心與菱形基板的所述頂點重合。然後在安裝饋源天線附近安裝一微波攝像機，所述微波攝像機用於記錄干涉強度與位置資訊。
S6:啟動饋源天線，所述饋源天線與一目標天線於所述基板的表面發生干涉，藉由微波攝像機記錄不同區域的干涉強度並藉由計算將所述干涉強度轉化為0~255的灰階值，藉由灰階值計算對應金屬帶不同位置處的高度值，拆卸所述微波攝像機。
S7:在所述單層金屬條帶的基礎上，藉由所述方形金屬貼片的層疊獲得由S6中計算的高度值，獲得具有變化高度金屬帶，從而制得所述全息結構。
進一步地，所述殼體的長度L1＞50×λ， 寬度為L2＞40×λ，並且採用陶瓷填充的聚四氟乙烯材料對所述殼體進行填充，獲得所述基板，其中，λ為自由空間波長。
進一步地，所述橢圓族帶由靠近所述饋源天線至遠離所述饋源天線的方向呈輻射狀排列，其中，沿靠近所述饋源天線至遠離所述饋源天線的方向排列的第i個橢圓條帶的正向軸向的內徑為(2×i-1)×λ，正向軸向的外徑為2×i×λ。負向軸向的內徑為0.66×λ×(2×i-1)，負向軸向的外徑為0.66×λ×2×i，其中，λ為自由空間波長。
進一步地，所述金屬貼片為銅片，所述金屬貼片之間的拼接藉由焊接進行，所述金屬貼片之間的層疊藉由黏接進行。
本發明將傳統單獨紀錄干涉最小值的全息結構，也就是近似於方波的結構，利用數位影像處理技術，改善為更加貼近實際干涉場的弦波函數型結構，從全息理論上來說，此結構能提升全息天線之訊號品質，增加全息天線在未來5G通訊市場中的發展性。
下面將結合本發明實施方式中的附圖，對本發明實施方式中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施方式僅僅是本發明一部分實施方式，而不是全部的實施方式。基於本發明中的實施方式，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施方式，都屬於本發明保護的範圍。
需要說明的是，當元件被稱為“固定於”另一個元件，它可以直接在另一個元件上或者也可以存在居中的元件。當一個元件被認為是“連接”另一個元件，它可以是直接連接到另一個元件或者可能同時存在居中元件。當一個元件被認為是“設置於”另一個元件，它可以是直接設置在另一個元件上或者可能同時存在居中元件。本文所使用的術語“豎直的”、“水準的”以及類似的表述只是為了說明的目的。
除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬於本發明的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中在本發明的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施方式的目的，不是旨在於限制本發明。本文所使用的術語“和／或”包括一個或多個相關的所列項目的任意的和所有的組合。
1.技術原理
根據全息學原理，兩束波干涉能產生全息圖樣，且當採用其中一束波照射之前獲得的全息圖樣時，可產生另一束波。實際應用中，兩束波分別對應饋源天線的輻射場和需要實現重構的目標天線的輻射場，藉由全息圖樣獲得對應的全息結構，當饋源天線的輻射場照射全息結構時，即可產生目標天線的輻射場。由饋源天線與全息結構組成的天線即為全息天線。
饋源天線是整個全息天線的激勵源，饋源天線必須在E面（E面是指與電場方向平行的方向圖切面）能夠均勻照射整個全息結構的表面，並在H面（H面是指與磁場方向平行的方向圖切面）內實現窄波束。
全息結構是整個全息天線的散射器部分，全息結構必須能很好地類比饋源天線與目標天線的輻射場的干涉場情況。而在微波頻段，對干涉場的記錄只能逐點離散地進行。
在此基礎上，為了能夠很好的類比饋源天線與目標天線的輻射場的干涉場情況，本發明把干涉條紋的強度資訊利用0~255的灰階值記錄，並進而利用此資訊來建立更加符合實際干涉場的全息結構，例如干涉強度最小（灰階值為0）的位置設置為全息結構上的高點，而干涉強度最大（灰階值為255）的位置設置為全息結構上的低點，再利用干涉強度最小及干涉強度最大之間的灰階值分佈情況，對應設置全息結構的高度便可得出全息結構的理想形狀，從而降低相位誤差，增進天線信號品質。
2.技術方案
請參見圖1，一種全息天線100，用於記錄干涉圖樣（圖未示）並重建目標天線（圖未示）發射波形，包括一饋源天線11及一全息結構13，所述全息結構13包括一基板131和及固定於所述基板131的間隔設置的多個金屬帶133，所述金屬帶133的厚度與所述干涉圖樣的強度呈負相關，所述干涉圖樣中的干涉強度T出現最小值T1的區域設置厚度為H1（請參見圖5）的所述金屬帶133，而干涉強度出現最大值T2的區域設置厚度為H2的所述金屬帶133，干涉強度T介於最大值T2與最小值T1之間的區域設置厚度為H的所述金屬帶133，其中，干涉強度T、T1、T2及金屬帶厚度H、H1、H2之間滿足關係：
0≤H2≤H≤H1;H=T×(T2-T1)/(H1-H2)。
進一步地，所述全息結構13整體呈正方形，且所述饋源天線11設於所述全息結構13的一頂點（圖未示）附近；所述金屬帶133為橢圓形的帶狀結構，所述金屬帶133包括距所述饋源天線11由近及遠依次設置的第1金屬帶、第2金屬帶…第i金屬帶…，及第N金屬帶，其中1≤i≤N，N為大於15的自然數，第i個金屬帶的軸向內徑為0.66×λ×（2×i-1），軸向外徑為0.66×λ×2×i，其中λ為自由空間波長，例如，第1金屬帶的軸向內徑為0.66×λ，軸向外徑為1.32×λ，其中，所述軸向指金屬帶133的對稱軸方向（圖1中D1所示方向），所述內徑指第i金屬帶朝向所述饋源天線11一側的弧邊所在橢圓的長軸(所述長軸為藉由連接橢圓上的兩個點所能獲得的最長線段)，所述外徑為第i金屬帶遠離所述饋源天線11一側的弧邊所在橢圓的長軸。
進一步地，每一所述金屬帶133包括多個金屬貼片135，所述金屬貼片135為邊長是0.01λ的正方形薄片結構，所述金屬貼片135拼接或重疊形成所述金屬帶133。
進一步地，請參見圖2，所述饋源天線11為角錐喇叭天線111，所述角錐喇叭天線111包括矩形波導113和與所述矩形波導113相連的四個喇叭側面115，四個所述喇叭側面115依次連接並包圍所述矩形波導113並於遠離所述矩形波導113的一端形成一喇叭終端面117；
所述矩形波導113的長邊長度a在1.0cm~1.4cm之間，短邊長度b在0.5cm~0.7cm之間，波導長度R1在1.6cm~1.8cm之間；
所述喇叭終端面117的長邊長度c在4.2cm~4.4cm之間，短邊長度d在1.6cm~1.8cm之間；
所述矩形波導113與喇叭終端面117的距離R2在3.2cm~3.6cm之間；所述角錐喇叭天線111的口徑中心與所述基板131的所述頂點重合。
進一步地，請參見圖3A，所述基板131包括一長方體形的殼體137及填充於所述殼體137的填充介質139，所述填充介質139選自陶瓷填充的聚四氟乙烯材料。
進一步地，請參見圖3A，所述基板131的長度L1在9.2cm~9.4cm之間，寬度L2在9.2cm~9.4cm之間，厚度L3為0.635cm。
請參見圖3A~圖3F，一種如上所述的全息天線100的製作方法，包括如下步驟：
S1:選取長度為L1，寬度為L2，厚度為L3的矩形殼體137，並且採用陶瓷填充的聚四氟乙烯材料對所述殼體137進行填充，獲得一基板131（參見圖3A）；
S2:在所述基板131的表面繪製N個具有相同負半軸及相同左焦點F(圖3B、3C、3D、3E及3F中F所指位置)的橢圓條帶132，所述橢圓條帶132構成橢圓族帶134，獲得表面覆有橢圓族帶134的基板131，其中N為大於30的自然數(參見圖3B)；
S3:在表面覆有橢圓族帶134的基板131上，以橢圓族帶134的所述左焦點F為頂點，裁剪出張角為90°，邊長 L4在 9.2cm~9.4cm之間的菱形基板131，所述菱形基板131的對稱軸與橢圓的長軸重合(參見圖3C)；
S4:在所述基板131的表面上，按照繪製的橢圓弧形條帶，用方形金屬貼片135對其進行拼接，獲得高度相同的弧形的單層金屬條帶136（參見圖3D及圖4）；
S5:在所述基板131的所述頂點處安裝一饋源天線11，即將饋源天線11的喇叭側面115的口徑中心與菱形基板131的所述頂點重合；然後在安裝饋源天線11附近安裝一微波攝像機15，所述微波攝像機15用於記錄干涉強度及位置資訊（參見圖3E）；
S6:啟動饋源天線11，所述饋源天線11與一目標天線（圖未示）於所述基板131的表面發生干涉，藉由微波攝像機15記錄不同區域的干涉強度並藉由計算將所述干涉強度轉化為0~255的灰階值，藉由灰階值計算對應金屬帶133不同位置處的高度值，拆卸所述微波攝像機15；
S7:在所述單層金屬條帶136的基礎上，藉由所述方形金屬貼片135的層疊獲得相應的高度，獲得具有變化高度的金屬帶133，完成所述全息結構13的製作(參見圖3F及圖5)。
具體地，在步驟S1中，所述殼體137的長度L1＞50×λ， 寬度為L2＞40×λ，並且採用陶瓷填充的聚四氟乙烯材料對所述殼體137進行填充，獲得基板131，其中 “×”為乘號。
在步驟S2中，所述橢圓族帶134包括由內向外的第1橢圓條帶、第2橢圓條帶、第3橢圓條帶、……、第i橢圓條帶、……及第N橢圓條帶，第i個橢圓條帶的正向軸向（如圖3B~3F中D1所示方向）的內徑為(2×i-1)×λ，外徑為2×i×λ；負向軸向（如圖3B~3F中D1所示方向的相反方向）的內徑為0.66×λ×(2×i-1)，外徑為0.66×λ×2×i；其中，λ為自由空間波長。
在步驟S7中，所述金屬帶133的截面呈三角形，並在所述基板131上週期性重複排列，使得所述全息結構13貼近實際干涉場的弦波函數型結構。
在步驟S4與步驟S7中，所述金屬貼片135為銅片，所述金屬貼片135的拼接藉由焊接的方式進行，所述金屬貼片135的層疊藉由黏接的方式進行。
本發明將傳統單獨紀錄干涉最小值的全息結構，也就是近似於方波的結構，利用數位影像處理技術，改善為更加貼近實際干涉場的弦波函數型結構，從全息理論上來說，此結構能提升全息天線之訊號品質，增加全息天線在未來5G通訊市場中的發展性。
另外，本技術領域的普通技術人員應當認識到，以上的實施方式僅是用來說明本發明，而並非用作為對本發明的限定，只要在本發明的實質精神範圍之內，對以上實施例所作的適當改變和變化都落在本發明要求保護的範圍之內。
100:全息天線
11:饋源天線
111:角錐喇叭天線
113:矩形波導
115:喇叭側面
117:喇叭終端面
13:全息結構
131:基板
132:橢圓條帶
133:金屬帶
134:橢圓族帶
135:金屬貼片
136:單層金屬條帶
137:殼體
139:填充介質
15:微波攝像機
圖1為本發明提供的一種全息天線的示意圖。
圖2為圖1所示全息天線的饋源天線的結構示意圖。
圖3A~3F為本發明提供的制作圖1所示的全息天線的步驟圖。
圖4為圖3D所示基板沿IV-IV的截面圖。
圖5為圖3F所示全息天線沿V-V的截面圖。
100:全息天線
11:饋源天線
13:全息結構
131:基板
133:金屬帶
135:金屬貼片
Claims (10)
- 一種全息天線，用於記錄干涉圖樣並重建目標天線發射波形，所述全息天線包括一饋源天線及一全息結構，所述全息結構包括一基板和固定於所述基板上的間隔設置的多個金屬帶，其中，所述金屬帶的厚度與所述干涉圖樣的強度呈負相關，所述干涉圖樣中的干涉強度T出現最小值T1的區域對應所述金屬帶厚度為H1，干涉強度出現最大值T2的區域對應所述金屬帶厚度為H2，干涉強度T介於最大值T2與最小值T1之間的區域對應所述金屬帶厚度為H，其中，干涉強度T、T1、T2及金屬帶厚度H、H1、H2之間滿足關係： 0≤H2≤H≤H1;H=T×(T2-T1)/(H1-H2)。
- 如請求項第1項所述的全息天線，其中，所述金屬帶為橢圓弧帶結構，所述金屬帶的數量大於15個，所述金屬帶沿靠近所述饋源天線至遠離所述饋源天線的方向呈輻射狀排列，其中，沿靠近所述饋源天線至遠離所述饋源天線的方向排列的第i個金屬帶的軸向內徑為0.66×λ×（2×i-1），軸向外徑為0.66×λ×2×i，其中1≤i≤15，λ為自由空間波長。
- 如請求項第2項所述的全息天線，其中，每一所述金屬帶包括多個金屬貼片，所述金屬貼片為正方形薄片結構，所述金屬貼片的邊長為0.01λ，所述金屬貼片相互拼接或重疊形成所述金屬帶。
- 如請求項第1項所述的全息天線，其中，所述饋源天線為角錐喇叭天線，所述角錐喇叭天線包括矩形波導和與所述矩形波導相連的四個喇叭側面，四個所述喇叭面依次連接並包圍所述矩形波導並於遠離所述矩形波導的一端形成一喇叭終端面；其中， 所述矩形波導的長邊長度a在1.0cm~1.4cm之間，短邊長度b在0.5cm~0.7cm之間，波導長度R1在1.6cm~1.8cm之間； 所述喇叭終端面的長邊長度c在4.2cm~4.4cm之間，短邊長度d在1.6cm~1.8cm之間； 所述矩形波導與喇叭面的距離R2在3.2cm~3.6cm之間；所述角錐喇叭天線的口徑中心與所述基板的最左側端點重合。
- 如請求項第1項所述的全息天線，其中，所述基板包括一長方體形的殼體及填充於所述殼體的填充介質，所述填充介質為陶瓷填充的聚四氟乙烯材料。
- 如請求項第5項所述的全息天線，其中，所述基板的長度L1在9.2cm~9.4cm之間，寬度L2在9.2cm~9.4cm之間，厚度L3為0.635cm。
- 一種如請求項第1~6項中任意一項所述之全息天線的製作方法，其中，包括如下步驟： S1:選取長度為L1，寬度為L2，厚度為L3的矩形殼體； S2: 在所述基板的表面繪製N個具有相同負半軸及相同左焦點F的橢圓條帶，所述橢圓條帶構成橢圓族帶，從而獲得表面覆有橢圓族帶的基板，其中N為大於30的自然數； S3:在表面覆有橢圓族帶的基板上，以橢圓族帶左焦點F為頂點，裁剪出張角為90°，邊長L4在9.2cm~9.4cm之間的菱形基板； S4:在所述基板的表面上的所述橢圓族帶內用金屬貼片進行拼接，獲得高度相同的弧形的單層金屬條帶； S5:在所述基板的所述頂點處安裝一饋源天線，使得饋源天線的喇叭側面的口徑中心與菱形基板的所述頂點重合；然後在安裝饋源天線附近安裝一微波攝像機，所述微波攝像機用於記錄干涉強度與位置資訊； S6:啟動饋源天線，所述饋源天線與一目標天線於所述基板的表面發生干涉，藉由微波攝像機記錄不同區域的干涉強度並藉由計算將所述干涉強度轉化為0~255的灰階值，藉由灰階值計算對應金屬帶不同位置處的高度值，拆卸所述微波攝像機； S7:在所述單層金屬條帶的基礎上，藉由所述方形金屬貼片的層疊獲得由S6中計算的高度值，獲得具有變化高度金屬帶，從而制得所述全息結構。
- 如請求項第7項所述之全息天線的製作方法，其中，所述殼體的長度L1＞50×λ， 寬度為L2＞40×λ，並且採用陶瓷填充的聚四氟乙烯材料對所述殼體進行填充，獲得所述基板，其中，λ為自由空間波長。
- 如請求項第7項所述之全息天線的製作方法，其中，所述橢圓族帶由靠近所述饋源天線至遠離所述饋源天線的方向呈輻射狀排列，其中，沿靠近所述饋源天線至遠離所述饋源天線的方向排列的第i個橢圓條帶的正向軸向的內徑為(2×i-1)×λ，正向軸向的外徑為2×i×λ；負向軸向的內徑為0.66×λ×(2×i-1)，負向軸向的外徑為0.66×λ×2×i，其中，λ為自由空間波長。
- 如請求項第7項所述之全息天線的製作方法，其中，所述金屬貼片為銅片，所述金屬貼片之間的拼接藉由焊接進行，所述金屬貼片之間的層疊藉由黏接進行。
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