[發明專利]一種基于全息原理和阻抗表面的低剖面錐形出射方向圖天線

有效

• 申請號: 201310323806.X
• 申請日: 2013-07-29
• 公開（公告）號: CN103367884A
• 公開（公告）日: 2013-10-23
• 發明（設計）人: 崔鐵軍;蔡本庚
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H01Q1/36
• 分類號: H01Q1/36;H01Q1/38;H01Q15/02;H01Q1/50;H01Q3/00
• 代理公司: 江蘇永衡昭輝律師事務所 32250
• 代理人: 王斌

技術領域

本發明涉及天線領域，尤其涉及一種基于全息原理和阻抗表面的低剖面錐形出射方向天線。

背景技術

在微波毫米波工程中，漏波天線是比較新的天線，其原理基于表面波的快波輻射，對于慢波而言，如果阻抗表面為周期性結構或其他調制結構，根據Bloch定理，其對應的空間諧波中，滿足快波條件的波矢量對應的諧波就會發生輻射，而對應找到這種快波條件的輻射機理基于布里淵區能帶圖或色散關系圖和光線的對比。

阻抗表面是新型人工電磁材料和隨機選擇頻率表面發展的一個方向，新型人工電磁材料是將特定幾何形狀的亞波長金屬單元結構周期或準周期排布植入基本材料內部或表面所構成的一種人工材料，在微波段，其亞波長結構相對于來波的響應模擬了微觀尺度原子或分子對光波段電磁波的相應，阻抗表面又稱新型人工電磁材料表面或超表面，它和新型人工電磁材料的區別是二維和三維的區別，由特定形狀的亞波長金屬單元結構按周期或準周期排布在介質板表面，用于分析其對表面波的響應。

全息原理在光波段的技術由來已久，它是利用干涉和衍射原理來記錄并再現物體的技術，傳統的拍照技術使用的膠片只記錄光強信息，而沒有記錄相位信息，利用一束和物波相干的參考波對物波進行干涉，在底片記錄兩束波的干涉信息，當參考波在同一角度照射到生成的底片時，物波將得到再現，因此并能在線物體。

將全息原理應用到微波段尤其是漏波天線中的歷史雖然已有半個世紀，將印刷電路板構成的阻抗表面來對應全息干涉圖的做法直到2010年才出現。其基本原理是用不同金屬貼片結構所對應的不同表面阻抗來對應干涉強度，從而當微波段的參考波照射到該阻抗表面時，將會出射事先設計好的物波，該方法可以方便對方向圖進行賦形設計。

發明內容

本發明的目的在于利用對漏波天線的設計所使用的全息原理的方法，本發明對天線輻射方向圖進行了賦形，使之產生錐形出射的方向圖，該技術對波束賦形的方法提供了一種簡單明了的方案，其給出的方向圖可以在特定場合如衛星通信上需要考慮地平線曲率時派上用場。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種基于全息原理和阻抗表面的低剖面錐形出射方向天線，其包括：

無線電天線SMA(Sub-Miniature-A)接頭，其作為單極子天線，表面波傳播過程形成漏波輻射，輻射原理基于全息原理。阻抗表面分布基于全息原理的干涉圖分布；

印刷電路板PCB(Printed??Circuit??Board)，其正面為金屬貼片單元按全息干涉圖分布刻蝕生成的阻抗表面，所述阻抗表面的所述金屬貼片單元由周期長度d遠小于波長1/5的金屬貼片組成，所述金屬貼片分布按照全息干涉分布生成。

其中，所述全息圖干涉分布特征在于，所對應的參考波為表面波Φ_ref=exp(-jknρ)，對應的物波為和面的法線方向成固定角度的圓錐形出射物波Φ_obj=exp(-jkρsin(θ))，其中θ為與法線之間的夾角，為空氣中的波矢量，其中π為圓周率，λ為電磁波相應頻率對應的波長,n為表面波的平均折射率，ρ為所述PCB平面上的極坐標徑向方向距離。

所述阻抗表面材料為印刷電路板材料，PCB材料的背面為金屬接地面，正面為相同尺寸的單元，不同尺寸的正方形貼片組成，不同尺寸的貼片對應不同的表面阻抗，該阻抗表面的表面阻抗分布對應為干涉圖分布。

所述單極子天線采用無線電天線接口(Sub-Minature-A)，SMA接頭的探針伸出長為3毫米長。

本天線基于全息原理使用的參考波在阻抗表面的表達式為表面波Φ_ref=exp(-jknρ)，物波在阻抗表面的表達式為Φ_obj=exp(-jkρsin(θ))，這種物波對應于錐形出射方向圖的輻射方向。其輻射角度與法線方向成θ角度。

所述介質板優選為聚四氟乙烯材質，所選PCB板材面積為408毫米×408毫米，板材厚度1.57毫米，介質介電常數為2.2。

通過本發明提供的基于全息原理和阻抗表面的低剖面錐形出射方向天線，首次在微波段實現了低剖面錐形出射方向天線；透鏡天線的帶寬為1GHz，在Ku波段（16.5-17.5GHz）內色散不明顯，性能穩定；制作簡單、工藝成熟、價格不高、便于推廣；可通過結構參數的縮放，適用于微波、毫米波和太赫茲波等不同波段。

附圖說明

圖1為天線正面結構示意圖；

圖2為結構局部示意圖，其中黑色部分為金屬貼片，白色為介質；