一种基于全息原理和阻抗表面的低剖面锥形出射方向图天线

摘要

本发明公开了一种基于全息原理和阻抗表面的低剖面锥形出射方向天线，该天线由阻抗表面和单极子天线构成。阻抗表面为印刷电路板(Printed Circuit Board,简称PCB)上正面刻蚀不同贴片单元组成，该PCB半背面为金属，中间为介质层。其中阻抗表面的设计使用了全息原理，阻抗表面的单元为不同尺寸的金属贴片，阻抗分布满足全息干涉图强度分布。全息干涉图由物波和参考波干涉生成，参考波为单极子天线激励而在阻抗表面上产生的表面波，物波为方向图成锥形出射的波。

权利要求

1.一种基于全息原理和阻抗表面的低剖面锥形出射方向天线，其包括：

无线电天线SMA接头，其作为单极子天线；

印刷电路板PCB，其正面为金属贴片单元按全息干涉图分布刻蚀生成的阻抗表面，所述阻抗表面的所述金属贴片单元由周期长度d小于波长1/5的金属贴片组成，所述金属贴片分布按照全息图干涉分布生成；其中，全息图干涉分布特征在于，所对应的参考波为表面波Φref＝exp(-jknρ)，对应的物波为和面的法线方向成固定角度的圆锥形出射波Φobj＝exp(-jkρsin(θ))，其中θ为与法线之间的夹角， 为空气中的波矢量，其中π为圆周率，λ为电磁波相应频率对应的波长,n为表面波的平均折射率，ρ为所述PCB平面上的极坐标径向方向距离。

说明书

一种基于全息原理和阻抗表面的低剖面锥形出射方向图天

线

技术领域

[0001] 本发明涉及天线领域，尤其涉及一种基于全息原理和阻抗表面的低剖面锥形出射方向天线。

背景技术

[0002] 在微波毫米波工程中，漏波天线是比较新的天线，其原理基于表面波的快波辐射，对于慢波而言，如果阻抗表面为周期性结构或其他调制结构，根据Bloch定理，其对应的空间谐波中，满足快波条件的波矢量对应的谐波就会发生辐射，而对应找到这种快波条件的辐射机理基于布里渊区能带图或色散关系图和光线的对比。

[0003] 阻抗表面是新型人工电磁材料和随机选择频率表面发展的一个方向，新型人工电磁材料是将特定几何形状的亚波长金属单元结构周期或准周期排布植入基本材料内部或表面所构成的一种人工材料，在微波段，其亚波长结构相对于来波的响应模拟了微观尺度原子或分子对光波段电磁波的相应，阻抗表面又称新型人工电磁材料表面或超表面，它和新型人工电磁材料的区别是二维和三维的区别，由特定形状的亚波长金属单元结构按周期或准周期排布在介质板表面，用于分析其对表面波的响应。

[0004] 全息原理在光波段的技术由来已久，它是利用干涉和衍射原理来记录并再现物体的技术，传统的拍照技术使用的胶片只记录光强信息，而没有记录相位信息，利用一束和物波相干的参考波对物波进行干涉，在底片记录两束波的干涉信息，当参考波在同一角度照射到生成的底片时，物波将得到再现，因此并能在线物体。

[0005] 将全息原理应用到微波段尤其是漏波天线中的历史虽然已有半个世纪，将印刷电路板构成的阻抗表面来对应全息干涉图的做法直到2010年才出现。其基本原理是用不同金属贴片结构所对应的不同表面阻抗来对应干涉强度，从而当微波段的参考波照射到该阻抗表面时，将会出射事先设计好的物波，该方法可以方便对方向图进行赋形设计。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于利用对漏波天线的设计所使用的全息原理的方法，本发明对天线辐射方向图进行了赋形，使之产生锥形出射的方向图，该技术对波束赋形的方法提供了一种简单明了的方案，其给出的方向图可以在特定场合如卫星通信上需要考虑地平线曲率时派上用场。

[0007] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

[0008] 一种基于全息原理和阻抗表面的低剖面锥形出射方向天线，其包括：

[0009] 无线电天线SMA(Sub-Miniature-A)接头，其作为单极子天线，表面波传播过程形成漏波辐射，辐射原理基于全息原理。阻抗表面分布基于全息原理的干涉图分布；

[0010] 印刷电路板PCB(Printed Circuit Board)，其正面为金属贴片单元按全息干涉图分布刻蚀生成的阻抗表面，所述阻抗表面的所述金属贴片单元由周期长度d远小于波长1/5的金属贴片组成，所述金属贴片分布按照全息干涉分布生成。

[0011] 其中，所述全息图干涉分布特征在于，所对应的参考波为表面波Φref=exp(-jknρ)，对应的物波为和面的法线方向成固定角度的圆锥形出射物波Φobj=exp(-jkρsin(θ))，其中θ为与法线之间的夹角， 为空气中的波矢量，其中π为圆周率，λ为电磁波相应频率对应的波长,n为表面波的平均折射率，ρ为所述PCB平面上的极坐标径向方向距离。

[0012] 所述阻抗表面材料为印刷电路板材料，PCB材料的背面为金属接地面，正面为相同尺寸的单元，不同尺寸的正方形贴片组成，不同尺寸的贴片对应不同的表面阻抗，该阻抗表面的表面阻抗分布对应为干涉图分布。

[0013] 所述单极子天线采用无线电天线接口(Sub-Minature-A)，SMA接头的探针伸出长为3毫米长。

[0014] 本天线基于全息原理使用的参考波在阻抗表面的表达式为表面波Φref=exp(-jknρ)，物波在阻抗表面的表达式为Φobj=exp(-jkρsin(θ))，这种物波对应于锥形出射方向图的辐射方向。其辐射角度与法线方向成θ角度。

[0015] 所述介质板优选为聚四氟乙烯材质，所选PCB板材面积为408毫米×408毫米，板材厚度1.57毫米，介质介电常数为2.2。

[0016] 通过本发明提供的基于全息原理和阻抗表面的低剖面锥形出射方向天线，首次在微波段实现了低剖面锥形出射方向天线；透镜天线的带宽为1GHz，在Ku波段（16.5-17.5GHz）内色散不明显，性能稳定；制作简单、工艺成熟、价格不高、便于推广；可通过结构参数的缩放，适用于微波、毫米波和太赫兹波等不同波段。

附图说明

[0017] 图1为天线正面结构示意图；

[0018] 图2为结构局部示意图，其中黑色部分为金属贴片，白色为介质；

[0019] 图3为侧视图，中间为SMA接头作为单极子，探头长度3mm；

[0020] 图4为贴片单元示意图，其中d表示整个单元周期长度，a表示PCB上方正方形金属贴片的边长，贴片间距g=a-d。

[0021] 图5为贴片单元间隔g和阻抗Z的关系式。

[0022] 图6为仿真远场辐射方向图，其中：

[0023] (a)为在16.5GHz上仿真所得的方向图；

[0024] (b)为在17.0GHz上仿真所得的方向图。

[0025] (c)为在17.5GHz上仿真所得的方向图。

具体实施方式

[0026] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

[0027] 如图1所示为一种基于全息原理和阻抗表面的低剖面锥形出射方向天线的正面示意图，它是由一个正方形的PCB聚四氟乙烯板材组成，中心为由SMA馈电的单极子天线，SMA内轴作为探头伸出3毫米。图2为结构局部示意图，图3为侧视图，中心为SMA接头作为馈电单极子部分。

[0028] 板材面积为408毫米×408毫米，厚度为1.57毫米，正面为干涉分布图样，板材正面由不同间距g的金属单元贴片组成，贴片的单元示意图反应在图4中，其中阻抗和间距g之间的关系反应在图5中。

[0029] 天线的表面阻抗分布按照参考波和物波的干涉分布排列。所对应的参考波为表面波Φref=exp(-jknρ)，对应的物波为和面的法线方向成固定角度的圆锥形出射物波Φobj=exp(-jkρsin(θ))，其中θ为与法线之间的夹角。

[0030] 贴片尺寸按照以上两种波的干涉图形式分布，其表达式如下：

[0031] Z=X+M*cos(nkρ-kρsinθ)

[0032] 上面的公式中，Z为每个单元贴片对应的表面阻抗值，它和单元尺寸也就是贴片间距g的关系参见图5。X为所有贴片的表面阻抗的平均值，M为阻抗的上下变化范围或称调制深度。余弦函数项内部的两项来自表面波和物波的干涉项。

[0033] 本天线工作在17GHz左右的远场辐射方向图如图6所示，其在16.5-17.5GHz频段范围内都有良好的性能。

[0034] 本发明中的透镜天线根据工作频段不同，可采用不同加工工艺实现。

[0035] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干可以预期的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。