一種微波全息天線的設計

張 琦 周 亮

（1.中國電子科技集團公司第二十研究所 陜西 西安 710068；2.長沙機電產(chǎn)品研究開發(fā)中心 湖南 長沙 410100）

目前，微波全息技術已在許多領域得到廣泛應用，其應用包括雷達回波的相干檢測，如側(cè)視雷達[1]和HISS雷達[2][3]，無損探測不透光介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)等。微波全息技術的另一種應用是制作全息天線，本文主要探討全息天線原理，并通過仿真工具對其原理進行驗證，仿真結(jié)果表明，通過優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設計，可以利用微波全息理論設計全息天線[4]。

1 天線設計

本文所討論的全息天線其輻射口徑是由金屬圖案決定的，在其它文獻中也將其稱為“空間饋源和柵格天線”。使用喇叭天線作為饋源，并在介質(zhì)板上利用光刻的方法形成金屬圖案。由于其金屬圖案是由反射波束和入射波束相干涉而成，而“干涉”經(jīng)常用于光學全息圖案的形成，因此，稱這種天線為全息天線[5]。其輻射方向圖由在喇叭輻射下的金屬條紋位置決定。

全息天線利用光學全息理論，根據(jù)已知的入射波和需要的反射波，借助計算機輔助計算，在介質(zhì)板上設計制作全息圖案，入射波照射在全息圖案上會發(fā)生衍射，從而達到獲得所需反射波的目的。

圖1 全息天線原理示意圖

圖2 理論計算得到的全息圖案

圖3 全息天線仿真結(jié)構(gòu)圖

設入射球面波為S，反射平面波為R，全息介質(zhì)板為H，則三者有如下關系：S+H=R。因此，全息介質(zhì)板H上的全息圖案可由表達式R-S求得，如圖1所示，通過計算得到全息圖案如圖2所示。

全息天線基本結(jié)構(gòu)為一塊可反射電磁波的介質(zhì)板，并以電磁場理論為理論基礎，經(jīng)過合理的結(jié)構(gòu)設計，利用刻蝕金屬的方法形成由金屬條紋組成的全息圖案，該介質(zhì)板可對輻照在其表面的球面電磁波進行適度的幅度和相位調(diào)制，從而將入射球面波轉(zhuǎn)化為反射的平面波。全息天線仿真用結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2 結(jié)果分析

圖4 全息天線的遠場輻射方向圖

圖5 H面方向圖

圖6 E面方向圖

按照上述所建模型進行仿真計算，圖4為全息天線的三維遠場輻射方向圖?？梢钥闯觯诖怪庇诮橘|(zhì)板的x軸方向，出現(xiàn)輻射的主波束，其主波束指向為計算全息圖案時所用平面波傳播方向。圖5和圖6分別為H面和E面方向圖。由圖7可知，隨金屬干涉條紋數(shù)量增加，天線增益變大，而其主波束指向并未發(fā)生較大改變。

圖7 金屬條紋數(shù)量對天線增益的影響

3 結(jié)束語

全息天線利用光學全息原理，通過在介質(zhì)板上刻蝕金屬形成全息圖案，以對入射的球面電磁波進行適度的幅度和相位調(diào)制，從而獲得所需的反射平面波。本文利用仿真工具對其理論的實現(xiàn)性進行了驗證。結(jié)果表明，通過合理的結(jié)構(gòu)設計，利用微波全息原理可進行全息天線的設計。可通過理論的繼續(xù)探索及分析結(jié)構(gòu)對天線性能的影響，來提高天線的性能，需進行進一步研究。

［1］E.N.Leith, “Quasi-holographic techniques in the microwave region”Proc.IEEE,vol.59,pp.1305-1318,sept.1971.

［2］K.Iizuka,V.K.Nguyen,and H.Ogura,“Review of electrical properties of ice and HISS down-looking radar foe measuring ice thickness”Can.Aeronaut.Space J.,vol.17,pp.429-430,Dec.1971.

［3］H.Ogura and K.Iizuka, “Holographic matrix and its application to a novel radar”Proc.IEEE,vol.61,pp.1040-1041,July 1973.

［4］P.F.Checcacci,G.P.Papi,and V.Rosso,“Holographic VHF antennas” IEEE Trans.Antennas Propagat.,pp.278-279,Mar.1971.

［5］Moniem EISherbiny,Aly E.Fathy,and Arye Rosen, “Holographic Antenna Concept,Analysis,and Parameters”IEEE Trans.Antennas Propagat.,vol.52,pp.830-839,Mar.2004.