[发明专利]一种光栅天线的设计方法

权利要求书

1.一种光栅天线的设计方法，其特征在于，该设计方法包括如下步骤：

将预设长度的光栅耦合器划分为多段条状光栅；其中，各段条状光栅均包括条形波导，所述条形波导上蚀刻有沟槽；

基于光栅周期和沟槽的蚀刻宽度计算当前段条状光栅的辐射角，以及在辐射角满足预设条件下记录当前的光栅周期、蚀刻宽度及辐射比，直至所有段条状光栅的辐射角均满足各自的预设条件；

对记录的蚀刻宽度和光栅周期进行数据拟合，以获得蚀刻宽度与光栅周期之间的第一关系函数；对记录的蚀刻宽度和辐射比进行数据拟合，以获得蚀刻宽度与辐射比之间的第二关系函数；

利用所述第一关系函数和所述第二关系函数设计定向均匀辐射光子集成光栅天线；

其中，当辐射角不满足预设条件时保持蚀刻宽度不变，生成新的光栅周期，基于新的光栅周期和蚀刻宽度确定辐射角，直至在沟槽的当前蚀刻宽度下辐射角满足预设条件；

其中，通过如下方式生成新的光栅周期：

其中，n_eff表示条形波导的有效折射率，n_c表示条形波导表面的折射率，φ_c表示当前辐射角，m表示衍射阶，λ表示自由空间中的波长，Λ表示新的光栅周期。

2.根据权利要求1所述的光栅天线的设计方法，其特征在于，在当前蚀刻宽度下辐射角满足预设条件时，还包括如下步骤：

在预设宽度范围内更改蚀刻宽度，在更改后的蚀刻宽度的条件下重新进行当前段条状光栅的辐射角确定、辐射角是否满足预设条件的判断以及数据记录过程。

3.根据权利要求2所述的光栅天线的设计方法，其特征在于，

所述预设宽度范围包含多个蚀刻宽度，在所述预设宽度范围内的各个蚀刻宽度下分别进行当前段条状光栅的辐射角确定、辐射角是否满足预设条件的判断以及数据记录过程。

4.根据权利要求3所述的光栅天线的设计方法，其特征在于，

所述预设宽度范围内的所有蚀刻宽度形成等差数列，从最大或最小的蚀刻宽度开始依次地进行当前段条状光栅的辐射角确定、辐射角是否满足预设条件的判断以及数据记录过程。

5.根据权利要求1～4中任一权利要求所述的光栅天线的设计方法，其特征在于，通过如下方式计算当前段条状光栅的辐射角：

以当前段条状光栅的光栅周期和沟槽的蚀刻宽度作为输入，利用时域有限差分方式对当前段条状光栅进行仿真，从仿真结果中得到当前段条状光栅的辐射角。

6.根据权利要求5所述的光栅天线的设计方法，其特征在于，还包括进行如下仿真设置的步骤：

在当前段条状光栅的上方设置辐射场监视器，所述辐射场监视器用于记录辐射光束的近场分布；

其中，利用傅里叶变换将所述近场分布转换为远场分布，进而从远场分布中获得当前段条状光栅的辐射角。

7.根据权利要求6所述的光栅天线的设计方法，其特征在于，还包括进行如下仿真设置的步骤：

在当前段条状光栅的两端分别设置发射功率监视器和反射功率监视器，所述发射功率监视器用于记录发射功率，且所述反射功率监视器用于记录反射功率；

其中，利用所述发射功率和所述反射功率确定辐射比。

8.根据权利要求1或7所述的光栅天线的设计方法，其特征在于，通过如下方式利用所述第一关系函数和所述第二关系函数设计光栅天线；

获取待设计的光栅天线所需的辐射比；

基于所述第二关系函数根据所需的辐射比自动确定所需的蚀刻宽度，基于所述第一关系函数根据所需的蚀刻宽度自动确定所需的光栅周期；

通过所需的辐射比、所需的蚀刻宽度及所需的光栅周期设计出所需的定向均匀辐射光子集成光栅天线。