[发明专利]基于全息调制的人工张量阻抗表面天线及其实现方法

摘要

本发明公开了一种基于全息调制的人工张量阻抗表面天线及其实现方法，系统包括由多个大小相等的单元晶格人工张量阻抗表面；所述的单元晶格从上至下依次包括金属地板、介质基体和金属贴片；通过改变金属贴片的几何参数控制人工张量阻抗表面的单元晶格所对应的表面阻抗，从而使天线表面上的表面阻抗依照源场和目标场的全息干涉图样规则分布；方法包括以下步骤S1标量阻抗提取仿真；S2等效标量表面阻抗曲线拟合；S3张量表面阻抗全息调制；S4天线建模仿真。本发明目的在于利用全息张量表面阻抗调原理获得特定计划方式的目标辐射场的同时，还提出了一种张量表面阻抗的等效标量表面阻抗拟合准则，有效减少张量表面阻抗调制建模所需的数据量。

主权项

基于全息调制的人工张量阻抗表面天线，它包括人工张量阻抗表面和激励源，所述的人工张量阻抗表面包括多个大小相等的单元晶格；所述的单元晶格从上至下依次包括金属地板、介质基体和金属贴片；通过改变金属贴片的几何参数控制人工张量阻抗表面的单元晶格所对应的表面阻抗，从而使天线表面上的表面阻抗依照源场和目标场的全息干涉图样规则分布；所述的源场是激励源照射在天线表面上的表面波，所述的目标场是期望得到的平面波辐射场；其特征在于:所述的基于全息调制的人工张量阻抗表面天线，在实现特定方向上高增益的同时，获得特定计划方式的目标辐射场；提出了一种张量表面阻抗的等效标量表面阻抗拟合准则，有效地减少了张量表面阻抗调制建模所需的数据量，提高了天线设计的可操作性；包括如下步骤：S1：标量阻抗提取仿真，包括以下子步骤：S11：在电磁仿真软件Ansoft HFSS中，使用单元晶格和周期边界条件模拟无限大均匀阻抗表面，所述的周期边界条件为主从边界；S12：对使用不同组合的主从边界的相位差，模拟不同的表面波传播方向θt，从而得到张量表面阻抗的等效标量表面阻抗Ze随表面波传播方向θt变化的等效标量表面阻抗曲线；所述的主从边界的相位差表示从边界相对于主边界的相位延迟；S2：等效标量表面阻抗曲线拟合：对不同贴片间距g和不同表面波传播方向θt的单元晶格模型进行仿真，得到一系列不同贴片间距g值的等效标量表面阻抗曲线，从而进一步提炼出Zemax和g之间的数学关系，为全息阻抗调制做好准备；其中，将等效标量表面阻抗曲线的两个极轴作为主要的研究对象，针对表面阻抗值和贴片参数g之间的映射提出了一种简化准则：对于开缝金属贴片的阻抗表面来说，在开缝大小固定的情况下，可以认为等效标量表面阻抗曲线的主轴方向θemax与贴片开缝角度θs一致即θemax＝θs，且主轴所对应的等效标量表面阻抗最大值Zemax仅与单元晶格之间的贴片间距g有关；S3：张量表面阻抗全息调制，包括以下子步骤：S31：构造全息张量表面阻抗调制公式，所述的全息张量表面阻抗调制公式满足张量阻抗矩阵Z是反Hermit纯虚数二阶矩阵；S32：计算源场的表面电流表达式和目标场的电场表达式；所述的目标场的电场表达式与期望的极化方式相关；S33：联合步骤S31和步骤S32中得到的三个公式，计算张量表面阻抗Z的各阻抗分量的全息调制公式；S34：根据各阻抗分量的公式，直接计算得到理论的等效标量表面阻抗曲线，并进而得到的等效标量表面阻抗最大值Zemax和主轴方向θemax；S35：结合步骤S2中得到的Zemax和g之间的数学关系，求得该点处单元晶格所需的贴片间距g和贴片开缝角度θs，完成天线模型的建立；S4：天线建模仿真：采用单极子作为整个天线的表面波激励源；在天线平面的坐标原点处打孔放置单极子天线；所述的步骤S12包括以下子步骤：S121：在单元晶格模型上的四个壁上设置两对主从边界，其主从边界相位差分别设置成φx和φy，可得到：kx＝φx/a,ky＝φy/a；式中，kx和ky分别表示表面波在x方向和y方向传播的波数，a表示表面阻抗单元晶格的横向尺寸；S122：将表面波在阻抗表面上传播的波矢量kt和与x轴的夹角θt进行表示：S123：定义阻抗表面的等效折射率n，表示为：n=cvp=ω/vpω/c=ktk0;]]>式中，c＝3×108m/s自由空间中的光速；ω是在该贴片几何参数下，阻抗表面的本征频率；k0是自由空间中的波数；vp和kt分别是表面波沿着阻抗表面传播的相速和波数；S124：定义标量表面阻抗：Z=jη0αzk0=jη0kt2-k02k02=jη0kt2k02-1;]]>式中，η0＝120π是自由空间中的波阻抗，αz是阻抗表面法向方向即z方向上表面波传播的衰减常数，j是虚数，j的平方为‑1；S125：选取合适的kt，通过φy和φx的不同组合，便能得到在该表面波传播方向上的本征频率ω，进而得到该方向上的标量表面阻抗值：Z=jη0(φx2+φy2caω)2-1;]]>S126：张量表面阻抗Z与电场E和表面电流J的关系为：E=Z·J⇒ExEy=ZxxZxyZyxZyyJxJy;]]>TM模，其电场表达式可以写成：ETM=η0k0[-ezkt2-jαzkt]e-jkt·re-αzz;]]>S127：联合以上方程解得张量表面阻抗的归一化等效标量表面阻抗为：αzk0={-j(η02+ZxxZyy-Zxy2)+[-(η02+ZxxZyy-Zxy2)2+4η02×(Zxxsin2θt+Zyycos2θt-Zxysin2θt)×(Zxxcos2θt+Zxysin2θt+Zyysin2θt)]12}×[2η0(Zxxsin2θt+Zyycos2θt-Zxysin2θt)]-1;]]>S128：再得到三组不同的αz/k0之后，又可以将其代入步骤S127中的公式，反过来求得张量表面阻抗矩阵Z，进而再利用步骤S127中的公式得到等效标量表面阻抗曲线；所述的步骤S3包括以下子步骤：S31：构造全息张量表面阻抗调制公式，所述的全息张量表面阻抗调制公式满足张量阻抗矩阵Z是反Hermit纯虚数二阶矩阵：Z=jX00X+jM2Im(Erad⊗JsurfH-Jsurf⊗EradH);]]>式中，X是等效标量表面阻抗平均值，M是张量表面阻抗调制深度；Erad和Jsurf分别是阻抗表面上的目标场电场和表面电流表达式；上标H表示共轭转置，符号表示Kronecker乘积；S32：计算源场的表面电流表达式和目标场的电场表达式；所述的目标场的电场表达式与期望的极化方式相关；其中，单极子激励起的表面电流表达式表示为：Jsurf=(x,y,0)re-jkt·t;]]>式中，t代表平面内点(x,y)的矢量坐标，是该点到坐标原点的距离；以右旋圆极化天线为例的目标场电场表达式表示为：Erad＝(j cosθ,1,‑j sinθ)e‑jk·t；其中，k＝(sinθ,0,cosθ)是目标场在自由空间中传播的波矢量，θ是目标场主瓣往x方向偏离平面法向方向的角度。S33：联合步骤S31和步骤S32中得到的三个公式，计算张量表面阻抗Z的各阻抗分量的全息调制公式；Zxx=X+MxrcosθcosγZxy=M2(yrcosθcosγ-xrsinγ)Zyy=X-Myrsinγ;]]>式中γ＝kxsinθ‑ktr；S34：根据各阻抗分量的公式，直接计算得到理论的等效标量表面阻抗曲线，并进而得到的等效标量表面阻抗最大值Zemax和主轴方向θemax；S35：结合步骤S2中得到的Zemax和g之间的数学关系，求得该点处单元晶格所需的贴片间距g和贴片开缝角度θs，完成天线模型的建立。