[發(fā)明專利]一種近場聚焦全息陣列天線及調(diào)控方法

有效

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• 申請日: 2020-12-04
• 公開（公告）號: CN112688046B
• 公開（公告）日: 2022-03-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 章秀銀;周哲;蘇華峰;姚逸慧
• 申請（專利權(quán)）人: 華南理工大學(xué)
• 主分類號: H01Q1/00
• 分類號: H01Q1/00;H01Q3/26;H01Q13/10;H01Q1/38
• 代理公司: 廣州市華學(xué)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44245
• 代理人: 王東東

本發(fā)明公開了一種近場聚焦全息陣列天線及調(diào)控方法，包括SIW波導(dǎo)及同軸饋電結(jié)構(gòu)，所述SIW波導(dǎo)的上表面及下表面分別設(shè)置上層金屬板及下層金屬板，所述上層金屬板設(shè)置縫隙輻射單元，所述SIW波導(dǎo)中填充波導(dǎo)介質(zhì)材料，所述波導(dǎo)介質(zhì)材料中插入金屬柱，所述SIW波導(dǎo)的兩側(cè)設(shè)置延伸波導(dǎo)，所述延伸波導(dǎo)的末端加載超材料吸收邊界，所述縫隙輻射單元包括縫隙陣列，每個縫隙設(shè)置射頻開關(guān)，所述同軸饋電結(jié)構(gòu)設(shè)置在SIW波導(dǎo)的中心處，向兩側(cè)的延伸波導(dǎo)傳播TE₁₀模電磁波。本發(fā)明天線，通過近場聚焦，令輻射能量盡可能地聚集在焦點(diǎn)處，聚焦的效果非常明顯。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及全息天線技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種近場聚焦全息陣列天線及調(diào)控方法。

背景技術(shù)

全息原理起源起物理光學(xué)，是指利用全息結(jié)構(gòu)來記錄參考波和物波相干形成的干涉條紋，得到全息結(jié)構(gòu)，再用參考波照射該全息結(jié)構(gòu)衍射出物波。相比于傳統(tǒng)的只能記錄光照強(qiáng)度的膠片，全息結(jié)構(gòu)可以同時記錄物波的強(qiáng)度和相位信息，因此可以實(shí)現(xiàn)物體圖像的重現(xiàn)。

不像光學(xué)領(lǐng)域有眾多可以記錄波束干涉信息的材料，微波領(lǐng)域中記錄材料一直是一個難以解決的問題，這也在很長一段時間阻礙了全息技術(shù)在微波領(lǐng)域的應(yīng)用。1968年,由P.F.Checcacci第一次將全息技術(shù)應(yīng)用于微波領(lǐng)域，他們通過調(diào)整硬石蠟板的厚度、金屬貼片的面積以及金屬條帶的位置等方式實(shí)現(xiàn)全息圖案的記錄，并基于此設(shè)計了一款VHF頻段的全息天線。2007年，P.Sooriyadevan根據(jù)電磁場唯一性定理，通過在干涉場極小值點(diǎn)放置金屬條帶來模擬理想電壁的邊界條件，實(shí)現(xiàn)了全息圖案的記錄，不過這種全息結(jié)構(gòu)僅僅記錄了干涉場的極小值，對全息圖案的記錄還不夠精確，還原出來的物波與原波誤差較大。2012年Darwin Blanco和Eva Rajo-Iglesias通過在平面平行波導(dǎo)中激勵TM₀模的電磁波，根據(jù)平行波導(dǎo)上的相位分布和焦點(diǎn)位置對平行波導(dǎo)上的輻射單元進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)近場聚焦的效果

全息天線技術(shù)是通過微波材料與工藝，將目標(biāo)波束集成記錄在全息結(jié)構(gòu)上，當(dāng)用源天線給全息結(jié)構(gòu)饋電時，通過衍射可以還原出目標(biāo)波束。全息天線技術(shù)很好的兼顧了天線的性能、成本及體積，是毫米波天線的一個重要發(fā)展分支。

現(xiàn)在已經(jīng)提出了很多用于全息結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法，比如在干涉場極小值位置放置金屬條，根據(jù)阻抗表面綜合設(shè)計的不同尺寸的金屬貼片陣列，并于陣列中心處用偶極子饋電。此外，橫向饋電的縱向矩形波導(dǎo)縫隙陣，同軸饋電的徑向波導(dǎo)中的單一縫隙陣，反射消除縫隙對螺旋陣，偶極子，以及介質(zhì)諧振天線均能實(shí)現(xiàn)全息結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。

在實(shí)際工作中，聚焦陣列天線可應(yīng)用于輸能過程中。與傳統(tǒng)的輸能天線相比，聚焦陣列天線能夠通過聚焦提升能量傳輸效率，減少傳輸過程中的能量損耗。通過改進(jìn)聚焦陣列天線，形成多個焦點(diǎn)的輻射聚焦，能夠?qū)⑻炀€應(yīng)用與多波束通信中，提高能量利用效率，在通信距離不變的條件下，提高不同方位用戶的通信質(zhì)量。在低軌衛(wèi)星的工作過程中，衛(wèi)星與地面的通信需要電磁波穿過大氣層，較大的通信距離嚴(yán)重的降低了通信的質(zhì)量；如果采用聚焦天線的技術(shù)，能將衛(wèi)星天線平行發(fā)送到地面的電磁波能量匯集在單點(diǎn)上，提升地面基站所接收到的能量，減少通信距離導(dǎo)致的信息失真，也能夠節(jié)約衛(wèi)星用于通信的能量。相較于2/3/4G通信，5G/6G通信的基站由于極大的提高工作頻率，信號在傳輸途徑上的衰減極為明顯，這導(dǎo)致了信號隨距離增加而急劇減小；如果采用聚焦的方法進(jìn)行信號的輸送，將平行傳輸?shù)哪芰烤劢褂诙鄠€點(diǎn)上，既能同時為多個方位提供5G/6G通信服務(wù)，又能提高高頻基站的信號有效傳輸距離。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)與不足，本發(fā)明的首要目的是提供一種近場聚焦全息陣列天線。本發(fā)明天線基于全息原理，能夠在近場區(qū)域?qū)崿F(xiàn)單點(diǎn)的能量聚焦。

本發(fā)明的次要目的是提供一種近場聚焦全息陣列天線的調(diào)控方法。

本發(fā)明的首要目的采用如下技術(shù)方案：