基于法布里-珀罗谐振腔式结构的低剖面全息成像天线的制作方法

本发明涉及一种基于法布里-珀罗谐振腔式结构的低剖面全息成像天线，属于天线与新型人工电磁材料领域。

背景技术：

新型人工电磁材料，或者称为电磁超材料，是通过周期排布亚单元式结构，从而改变电磁特性进一步实现对电磁波调控的一门新兴技术。它改变了人们对电磁波的传统认知，如今，超表面作为电磁超材料二维结构，因为其易加工，剖面低等优点受到了广泛的应用。随着广义斯涅尔定律的提出，利用相位的不连续性实现对波束的任意控制变得更加具有实用性，在这种情况下，为微波器件设计带来新的方法与思路。

法布里-珀罗谐振腔，最早在光学领域中作为射线发生器，干涉仪等受到了广泛的应用，在上个世纪末被引入到微波领域实现天线设计，在保证低剖面天线轮廓低、风阻小、易于实现与载体共形等优点的前提下，实现了高增益的波束出射。近些年来，随着技术的发展，超表面被引入到法布里-珀罗天线的设计中，基于该理论的大量研究成果不断出现，例如超宽带，超低剖面，一维波束扫描等工作都取得了较好的效果。但是到目前为止，基于法布里-珀罗腔体的天线设计主要局限在一维的应用场景中，对于二维的功能性设计缺少简单的理论与方法，是目前急待解决的问题。

微波频段的全息成像技术为近场的能量分布提供了一种解决方法，通过对超表面的相位进行排布，可以对近场任何一个表面的电场的能量进行设计与构建，因此在近场多通道通信，无线能量传输以及近场智能识别等领域具有无限大的潜力。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于法布里-珀罗谐振腔式结构的低剖面全息成像天线，利用光学射线模型理论出发，给出一种简单的设计的思路与方法，在传统法布里-珀罗谐振腔式天线的基础上，只需要通过设计编码部分反射表面的透射相位分布来构建近场某个表面的电场能量的聚焦点位置，从而构造出想要的全息图显示。

技术方案：为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于法布里-珀罗谐振腔式结构的低剖面全息成像天线，包括馈源天线，人工磁导体以及编码部分反射表面。

本发明的馈源天线为一个放置在带有开槽金属地介质板上的贴片天线，该天线通过同轴线进行侧馈，能量输入到地板下方的传输线，通过地板上的开槽耦合到天线上进行辐射。

本发明的人工磁导体利用反射式超表面单元来实现，该设计满足在反射系数近似为1的情况下反射相位为0°。

本发明的编码部分反射表面由一个三层pcb电路板实现，其中最下层的结构用来调控反射相位，中间层和上层结构完全一致用来调节透射相位。反射幅度同时要保持在0.9以上，对透射相位进行编码。

优选的：所述编码部分反射表面单元三层结构均由方形环和方形贴片构成；通过中层和上层调节该结构的尺寸，得到每一个基本单元结构，这四种数字态响应对应四种反射相位，根据四种数字态响应进而得到4个不同相位数字态编码，这4个不同相位数字态编码对应4种基本单元结构。

优选的：产生的四种数字态响应分别为“00”、“01”、“10”和“11”，这四种数字态响应分别对应的四种反射相位为0度、90度、180度和270度。而编码部分反射表面的反射相位始终保持为180°。

有益效果：本发明提供了一种基于法布里-珀罗谐振腔式结构的低剖面全息成像天线，相比现有技术，具有以下有益效果：

1.本发明在传统的射线光学模型对法布里-珀罗谐振腔天线进行分析的基础上，加入了编码部分反射表面的影响，在加入新的自由度的同时简化了原有的设计，使得二维的功能实现变得更加容易。

2.本发明所使用的法布里-珀罗谐振腔天线本质上工作在漏波模式下，本发明首先实现了漏波模式天线的二维波束设计，并且用其进行了近场全息成像效果的验证并取得了较好的成果。

3.本发明剖面低，具有轮廓低、风阻小、易于实现与载体共形等优点在现代无线通信技术中得到越来越多的应用。

4.本发明所采用的带有权重的相位恢复算法，具有迭代速度快，高成像效率，设计灵活等优点，具体表现为对于不同的成像图案，可以较为快速地获取对应的相位分布，不会给计算机造成大量的负担。

5.本发明可以通过赋予不同的编码矩阵，便可以呈现出不同的功能，如波束偏折，轨道角动量，多波束设计等，不仅仅局限在全息图的设计。

6.本发明结构线条设计简单，全部结构均由方形环和贴片构成，在微波频段采用常规的印制电路板工艺即可制作。

附图说明

图1为本发明的法布里-珀罗谐振腔式天线的射线光学模型图，其中左边的电磁波分布与右边的电磁波传输为对称的结构。

图2为本发明的整体结构示意图，包括了部分反射表面，人工磁导体以及馈源天线三个部分。

图3为本发明的编码部分反射表面的单元结构图与频率响应图；图3(a)为本发明的编码部分反射表面单元的三层印刷电路板的金属结构图；图3(b)为本发明的编码部分反射表面单元的最下层金属结构图；图3(c)为本发明的编码部分反射表面单元的反射相位与反射幅度；图3(d)发明的编码部分反射表面单元的最上层和中间层的金属结构图；图3(e)为本发明的编码部分反射表面单元的透射相位。

图4为本发明的全息图设计所使用的带有权重的相位恢复算法的流程图。

图5为本发明所设计的三种典型的全息成像效果图。图5(a)和图5(b)所展示的是构建三个非对称焦点成像的全息图对应的相位分布图案及其仿真归一化电场强度分布图；图5(c)和图5(d)所展示的是构建五个对称焦点成像的全息图对应的相位分布图案及其仿真归一化电场强度分布图；图5(e)和图5(f)所展示的是构建字母“t”成像的全息图对应的相位分布图案及其仿真归一化电场强度分布图；

图6为本发明产生字母“t”成像的低剖面法布里-珀罗成像的俯视图。

附图标记列表：

1-第一印刷电路板，2-第二印刷电路板，3-sma同轴馈电端口，4-馈源天线，5-人工磁导体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

一种应用于微波段的本发明提供了一种可以实现全息成像的法布里-珀罗谐振腔式低剖面天线，主要包括两块三层印刷电路板，可以分为馈源天线，人工磁导体以及编码部分反射单元三个部分，两个印刷电路板要保持1/4波长左右的空气距离。

位于底部的印刷电路板主要包括馈源天线和人工磁导体两个部分：馈源天线为一个放置在带有开槽金属地介质板上的贴片天线，该天线通过同轴线进行侧馈，能量输入到地板下方的传输线，通过地板上的开槽耦合到天线上进行辐射。人工磁导体利用反射式超表面单元来实现，该设计满足在反射系数近似为1的情况下反射相位为0°

位于顶部的印刷电路板为编码部分反射表面，最下层的结构用来调控反射相位，中间层和上层结构完全一致用来调节透射相位。反射幅度同时要保持在0.9以上，反射的相位要保持为180°附近，对透射相位进行编码。通过中层和上层调节该结构的尺寸，得到每一个基本单元结构，这四种数字态响应对应四种反射相位，产生的四种数字态响应分别为“00”、“01”、“10”和“11”，这四种数字态响应分别对应的四种反射相位为0度、90度、180度和270度。

带有权重的全息成像算法具有迭代速度快，高成像效率，设计灵活等优点，具体表现为对于不同的成像图案，可以较为快速地获取对应的相位分布，不会给计算机造成大量的负担。通过预设聚焦点的位置，可以通过该算法来计算出表面的相位分布。

这里将在微波ka波段具体实例化本发明所提到的低剖面法布里-珀罗谐振式全息成像天线。

图1所示对传统的射线光学模型进行重新分析，将部分反射表面的透射相位引入到该模型中，为原先的设计带来了新的自由度。法布里-珀罗天线如果要完成高增益的波束出射的时候，需要满足的条件为：

其中，h为上层印刷电路板与下层印刷电路板之间的高度，φr(n-1)为上一个部分反射单元的反射相位，φa为人工磁导体单元的反射相位。当满足上述关系的时候，法布里-珀罗便可以实现平面波出射。但是，可以看出，这个模型没有考虑到部分反射表面的透射相位的影响，因此，整个模型缺少了一个自由度，使得目前对二维电磁波的调控研究变得更加困难。再次基础上，考虑到透射相位的影响，对上述模型进行修正，可以得到公式：

每个部分反射表面单元的最终透射相位除了包括传统射线光学模型的三项之后，又引入了每个单元透射相位的影响。但是还存在一个复杂的问题就是如何在二维的情况下找到每一个部分反射单元对应的前一个单元，而且引入透射相位之后使得公式变得更加复杂了，反而给我们的设计带来了极大的不便。因此，我们考虑到当满足平面波出射的条件情况下，也即是传统法布里-珀罗谐振腔式天线的高增益波束情况的条件，前三项可以完全被抵消掉，也就是说，此时每个单元最终的透射相位只与部分反射表面的透射相位有关系。

所以，上述的理论给我们了一种对漏波模式天线进行二维功能性设计的方法，但是给编码部分反射表面单元提出了三个要求：一是要满足所有反射相位均为180°，二是要满足所有单元的反射幅度均在0.9以上，三是要满足透射相位是可调的。图3所示即为编码部分反射表面单元的设计，有一个三层印刷电路板构成，每一层都由一个方形谐振环与方形贴片构成，最下层的结构用来控制反射相位，中间层与最上层的结构用来调控透射相位进行编码设计，一共产生四种数字态响应分别为“00”、“01”、“10”和“11”，这四种数字态响应分别对应的四种反射相位为0度、90度、180度和270度。。

全息算法到目前为止使用最多的是相位恢复算法，在光学频段中，成像面一般选择在远场，所以成像面与超表面之间具有傅里叶变换的关系。在微波领域，远场成像面距离太远，不利于测试，所以本专利采用带有权重因子的近场相位恢复算法。权重因子的引入是为了获得更高的成像效率，并且用近场自由空间的格林函数代替傅里叶变换，对算法进行修正。图4展示的是该算法的流程图，首先需要对编码超表面的相位分布以及权重因子进行预设计，然后利用近场格林函数在目标成像面上的能量分布以及超表面相位分布之间不断进行迭代，直到结果满足我们所设计的误差范围或者是迭代次数到达最大时，便可以结束跳出循环，得到最终的结果。

图5展示的是三种典型的全息成像所对应的编码相位分布图以及仿真成像面的成像效果图。这三种典型的成像效果分别为：三个非对称的聚焦点，五个对称的聚焦点以及字母“t”的成像。仿真结果显示良好的成像效果，验证了本发明的功能性。除此以外，该发明还可以对其它类似的目标进行成像，均具有比较良好的效果。

本发明为了克服现有技术中存在的不足，提供了一种可以实现全息成像的法布里-珀罗谐振腔式低剖面天线，利用光学射线模型理论出发，给出一种简单的设计的思路与方法，在传统法布里-珀罗谐振腔式天线的基础上，只需要通过设计编码部分反射表面的透射相位分布来构建近场某个表面的电场能量的聚焦点位置，从而构造出想要的全息图显示。

本发明具有低剖面、易于设计、易于加工等优点，可用于实现低剖面的二维波束偏折，多波束出射天线。将来可以将fpga等硬件相结合，实现低剖面的波束扫描，新型毫米波无线通信系统等应用。

需要说明，以上所述仅是本发明在微波x波段的优选实施方式，由于本发明具有单元结构设计简单并且单层金属图案便于制作的有点，同样的结构可以通过尺寸缩放应用到太赫兹，红外以及可见光波段。应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。