基于全息調制的人工張量阻抗表面天線及其實現方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種基于全息調制的人工張量阻抗表面天線及其實現方法。
【背景技術】
[0002] 在無線通信技術蓬勃發展的今天，各類無線通信應用已經完全融入了人們日常生 活，成為不可或缺的一部分。在軍事領域，以雷達為代表的天線系統，對軍隊作戰能力也起 著至關重要的作用。而作為發送和接收電磁波的核心部件，天線的電磁性能和物理特性對 整個無線通信系統來說是至關重要的。以戰機機載天線為例，除了對天線的增益、極化等傳 統的天線指標有較高或特定要求外，還需要天線具有剖面低、便于共形集成和重量輕等特 性。現有的一些天線技術例如反射面天線、平板反射陣天線、陣列天線等等，往往存在諸如 剖面較高、空間占用大和饋電復雜等缺點，不利于與載體集成。
[0003] 作為光學全息技術在微波領域的延伸和拓展，全息天線以及基于全息原理的阻抗 調制表面天線在設計方法上沿襲了物理光學全息技術的思路，即通過記錄波束干涉信息和 源場照射來獲得目標漏波輻射場；在加工制作方面，全息阻抗調制表面天線多采用與傳統 微帶天線相同的加工工藝和制作流程，不需要復雜的饋電網絡，也不需要空間照射饋源，無 論是在加工精度還是在成本控制方面，都能很好地控制。也正是因為這種簡單的結構，使得 全息阻抗調制表面天線在微波乃至毫米波頻段具有很強的潛在優勢。并且其重量較輕且剖 面低，在載體共形集成方面的應用前景廣闊。
[0004] 通常，標量阻抗調制表面只能將線極化的源場轉換成線極化的目標場，要實現對 天線極化特性的控制，例如利用線極化表面波實現圓極化的遠區輻射場，需要更復雜的張 量阻抗調制表面。在現有的技術中，中國專利申請201410343597.X公開了全息人工阻抗表 面共形天線，201310323806.X和201310292298. 3則分別提出了基于全息表面阻抗調制的 錐形波束和多波束天線。但這三種天線無一例外地都使用了標量表面阻抗，其表面阻抗值 是不具有方向性的標量數值，可變參量只有金屬貼片間距這一項。這就使得這些形式的天 線難以實現對具有多個電場分量的目標場進行阻抗調制，其極化方式固定，靈活性不足。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種基于全息調制的人工張量阻抗 表面天線及其實現方法，解決現有技術使用了標量表面阻抗、可變參量只有金屬貼片間距 這一項使得難以實現對具有多個電場分量的目標場進行阻抗調制，極化方式固定，靈活性 不足的問題。
[0006] 本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：基于全息調制的人工張量阻抗表面 天線，它包括人工張量阻抗表面，所述的人工張量阻抗表面包括多個大小相等的單元晶格； 所述的單元晶格從上至下依次包括金屬地板、介質基體和金屬貼片；通過改變金屬貼片的 幾何參數控制人工張量阻抗表面的單元晶格所對應的表面阻抗，從而使天線表面上的表面 阻抗依照源場和目標場的全息干涉圖樣規則分布；所述的源場是激勵源照射在天線表面上 的表面波，所述的目標場是期望得到的平面波輻射場。
[0007] 基于全息調制的人工張量阻抗表面天線的實現方法，它包括以下步驟：
[0008] S1 :標量阻抗提取仿真，包括以下子步驟：
[0009]S11:在電磁仿真軟件AnsoftHFSS中，使用單元晶格和周期邊界條件模擬無限大 均勻阻抗表面，所述的周期邊界條件為主從邊界；
[0010]S12 :對使用不同組合的主從邊界的相位差，模擬不同的表面波傳播方向0 t，從而 得到張量表面阻抗的等效標量表面阻抗4隨表面波傳播方向0 /變化的等效標量表面阻抗 曲線；所述的主從邊界的相位差表示從邊界相對于主邊界的相位延遲；
[0011] S2 :等效標量表面阻抗曲線擬合：對不同貼片間距g和不同表面波傳播方向0 ,的 單元晶格模型進行仿真，得到一系列不同貼片間距g值的等效標量表面阻抗曲線，從而進 一步提煉出4_和g之間的數學關系，為全息阻抗調制做好準備；其中，將等效標量表面阻 抗曲線的兩個極軸作為主要的研宄對象，針對表面阻抗值和貼片參數g之間的映射提出了 一種簡化準則：對于開縫金屬貼片的阻抗表面來說，在開縫大小固定的情況下，可以認為等 效標量表面阻抗曲線的主軸方向^^與貼片開縫角度0s-致即0 Max= 0 s，且主軸所對 應的等效標量表面阻抗最大值26_僅與單兀晶格之間的貼片間距g有關；
[0012]S3:張量表面阻抗全息調制，包括以下子步驟：
[0013]S31:構造全息張量表面阻抗調制公式，所述的全息張量表面阻抗調制公式滿足張 量阻抗矩陣Z是反Hermit純虛數二階矩陣；
[0014] S32:計算源場的表面電流表達式和目標場的電場表達式；所述的目標場的電場 表達式與期望的極化方式相關；
[0015] S33 :聯合步驟S31和步驟S32中得到的三個公式，計算張量表面阻抗Z的各阻抗 分量的全息調制公式；
[0016]S34:根據各阻抗分量的公式，直接計算得到理論的等效標量表面阻抗曲線，并進 而得到的等效標量表面阻抗最大值Z_x和主軸方向0 _x;
[0017]S35 :結合步驟S2中得到的&_和g之間的數學關系，求得該點處單元晶格所需 的貼片間距g和貼片開縫角度9s，完成天線模型的建立；
[0018] S4 :天線建模仿真：采用單極子作為整個天線的表面波激勵源；在天線平面的坐 標原點處打孔放置單極子天線。
[0019] 所述的步驟S12包括以下子步驟：
[0020]S121:在單元晶格模型上的四個壁上設置兩對主從邊界，其主從邊界相位差分別 設置成巾x和巾y，可得到：
[0021] kx= <i>x/a,ky=y/a；
[0022] 式中，匕和ky分別表示表面波在x方向和y方向傳播的波數，a表示表面阻抗單 元晶格的橫向尺寸；
[0023]S122:將表面波在阻抗表面上傳播的波矢量kt和與x軸的夾角0龍行表示：
【主權項】
1. 基于全息調制的人工張量阻抗表面天線，其特征在于：它包括人工張量阻抗表面和 激勵源，所述的人工張量阻抗表面包括多個大小相等的單元晶格；所述的單元晶格從上至 下依次包括金屬地板、介質基體和金屬貼片；通過改變金屬貼片的幾何參數控制人工張量 阻抗表面的單元晶格所對應的表面阻抗，從而使天線表面上的表面阻抗依照源場和目標場 的全息干涉圖樣規則分布；所述的源場是激勵源照射在天線表面上的表面波，所述的目標 場是期望得到的平面波輻射場。
2. 如權利要求1所述的基于全息調制的人工張量阻抗表面天線的實現方法，其特征在 于：它包括以下步驟： 51 :標量阻抗提取仿真，包括以下子步驟： 511 :在電磁仿真軟件Ansoft HFSS中，使用單元晶格和周期邊界條件模擬無限大均勻 阻抗表面，所述的周期邊界條件為主從邊界； 512 :對使用不同組合的主從邊界的相位差，模