[发明专利]全息人工阻抗表面共形天线

说明书

技术领域

本发明涉及一种全息人工阻抗表面共形天线，属于天线技术领域。 

背景技术

全息光学技术的基础是光的相干涉作用和光的衍射作用，且发生光学干涉的必要条件是两列光波具有相同的频率，相位差恒定。第一步是利用干涉原理记录物体光波信息，第二步是参考光束射到全息底片上，通过光的衍射作用再现物光。 

全息天线的作用机理与光学技术是类似的，全息天线的干涉图样是通过参考天线的辐射场与目标天线的辐射场在干涉表面上干涉形成的。为了也能准确的模拟出参考辐射场与目标辐射场的干涉场分布，不需要实际的两副天线提供辐射场，只需要知道参考辐射场的表达式以及指定目标辐射场的表达式，经过计算得到干涉场的表达式，进而在干涉场极小值点放置金属。在电磁场理论中，由于理想金属对应的是边界条件是理想电壁，根据唯一性原理，这种方法是可以记录干涉场的，从而得到与全息技术中全息照片对应的全息结构。 

阻抗表面是新型人工电磁材料发展的一个方向，它由特定形状的亚波长金属单元结构按周期或者准周期排布在介质板表面，用于分析其对表面波的响应。将低剖面天线集成在复杂载体上，例如汽车、飞机，同时保证天线的辐射特性，这已经成为天线设计者的普遍问题。造成问题的原因主要是天线在进行辐射的同时会在金属载体表面的附近区域激励起表面电流，而这些电流的二次辐射将会对天线原有的辐射造成极大的负面效应，包括出现不希望的零深，交叉极化等等。全息人工阻抗表面基于三个基本的概念：调制阻抗表面上的表面波、人工阻抗表面和全息天线。全息阻抗表面是由一系列的电小尺寸的金属贴片构建而成的二维调制，而贴片大小的不同导致的结果是对应的表面阻抗的不同。在人工阻抗表面上激励的表面波通过变化的表面阻抗产生需要的辐射。表面波的传播和辐射主要通过控制表面阻抗的大小、调制深度以及调制周期。 

在现有技术中，中国专利“201310323806.X”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，公开日为2013年10月23日，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。其存在的主要问题在于：现有技术专利只是对辐射波形式作出创新，所以只是将全息人工阻抗表面停留在平面结构上，它忽略了全息天线的关键问题在于利用表面波，成功实现对表面波导行，是实现漏波辐射的前提，因此，现有技术局限于全息阻抗表面平面结构。 

发明内容

    本发明的目的在于克服现有技术存在的上述问题，提供一种全息人工阻抗表面共形天线。本发明对全息人工阻抗表面进行了共形化处理，使之能和复杂物体共形，实现了将平面全息天线共形到任意复杂物体曲面上，从而形成任意的辐射。 

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下： 

一种全息人工阻抗表面共形天线，人工阻抗表面结构包括金属贴片、介质层和金属层，其特征在于：不同尺寸的金属贴片对应不同的表面阻抗，且表面阻抗分布基于全息原理的干涉图样分布，其中，所述全息原理的干涉图分布对应的参考波为表面波，目标波为辐射平面波。

所述介质层的背面为金属层，正面均匀分布有相同尺寸单元，不同尺寸的金属贴片分别设置在相同尺寸单元上。 

    所述目标波设置为辐射平面波，写成如下形式： 。 

所述参考波为柱形表面波时，写成如下形式： 

所述参考波为探针激励起的表面波，由平均有效折射率决定，平均有效折射率通过单元晶格仿真得到，单元晶格包括介质层和其上方的正方形金属贴片，在介质层下设置电壁来表示金属地板，仿真得出平均有效折射率如下所示：

所述仿真时通过下式来计算单元晶格表面阻抗：。

    所述仿真单元晶格得到的表面阻抗值，通过改变正方形金属贴片的尺寸，得到对应的阻抗值，得出阻抗随着贴片之间间隙变化的阻抗曲线，通过阻抗曲线拟合出对应的方程： 

   根据，并结合正弦阻抗调制关系得到人工阻抗表面的表面阻抗：

其中，平均阻抗，是调制深度；将此两个方程联合得出人工阻抗表面结构。

采用本发明的优点在于：