基于全息调制的人工张量阻抗表面天线及其实现方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及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。
【背景技术】
[0002] 在无线通信技术蓬勃发展的今天，各类无线通信应用已经完全融入了人们日常生 活，成为不可或缺的一部分。在军事领域，以雷达为代表的天线系统，对军队作战能力也起 着至关重要的作用。而作为发送和接收电磁波的核心部件，天线的电磁性能和物理特性对 整个无线通信系统来说是至关重要的。以战机机载天线为例，除了对天线的增益、极化等传 统的天线指标有较高或特定要求外，还需要天线具有剖面低、便于共形集成和重量轻等特 性。现有的一些天线技术例如反射面天线、平板反射阵天线、阵列天线等等，往往存在诸如 剖面较高、空间占用大和馈电复杂等缺点，不利于与载体集成。
[0003] 作为光学全息技术在微波领域的延伸和拓展，全息天线以及基于全息原理的阻抗 调制表面天线在设计方法上沿袭了物理光学全息技术的思路，即通过记录波束干涉信息和 源场照射来获得目标漏波辐射场；在加工制作方面，全息阻抗调制表面天线多采用与传统 微带天线相同的加工工艺和制作流程，不需要复杂的馈电网络，也不需要空间照射馈源，无 论是在加工精度还是在成本控制方面，都能很好地控制。也正是因为这种简单的结构，使得 全息阻抗调制表面天线在微波乃至毫米波频段具有很强的潜在优势。并且其重量较轻且剖 面低，在载体共形集成方面的应用前景广阔。
[0004] 通常，标量阻抗调制表面只能将线极化的源场转换成线极化的目标场，要实现对 天线极化特性的控制，例如利用线极化表面波实现圆极化的远区辐射场，需要更复杂的张 量阻抗调制表面。在现有的技术中，中国专利申请201410343597.X公开了全息人工阻抗表 面共形天线，201310323806.X和201310292298. 3则分别提出了基于全息表面阻抗调制的 锥形波束和多波束天线。但这三种天线无一例外地都使用了标量表面阻抗，其表面阻抗值 是不具有方向性的标量数值，可变参量只有金属贴片间距这一项。这就使得这些形式的天 线难以实现对具有多个电场分量的目标场进行阻抗调制，其极化方式固定，灵活性不足。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供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，解决现有技术使用了标量表面阻抗、可变参量只有金属贴片间距 这一项使得难以实现对具有多个电场分量的目标场进行阻抗调制，极化方式固定，灵活性 不足的问题。
[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：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，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。
[0007] 基于全息调制的人工张量阻抗表面天线的实现方法，它包括以下步骤：
[0008] S1 :标量阻抗提取仿真，包括以下子步骤：
[0009]S11:在电磁仿真软件AnsoftHFSS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；
[0010]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0 t，从而 得到张量表面阻抗的等效标量表面阻抗4随表面波传播方向0 /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；
[0011] 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0 ,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4_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宄对象，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^^与贴片开缝角度0s-致即0 Max= 0 s，且主轴所对 应的等效标量表面阻抗最大值26_仅与单兀晶格之间的贴片间距g有关；
[0012]S3:张量表面阻抗全息调制，包括以下子步骤：
[0013]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；
[0014] 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；
[0015] 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；
[0016]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Z_x和主轴方向0 _x;
[0017]S35 :结合步骤S2中得到的&_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9s，完成天线模型的建立；
[0018] 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。
[0019] 所述的步骤S12包括以下子步骤：
[0020]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 设置成巾x和巾y，可得到：
[0021] kx= <i>x/a,ky=y/a；
[0022] 式中，匕和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；
[0023]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0龙行表示：
【主权项】
1. 基于全息调制的人工张量阻抗表面天线，其特征在于：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。
2. 如权利要求1所述的基于全息调制的人工张量阻抗表面天线的实现方法，其特征在 于：它包括以下步骤： 51 :标量阻抗提取仿真，包括以下子步骤： 511 :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； 512 :对使用不同组合的主从边界的相位差，模