一种三波束独立极化的全息人工阻抗表面天线
阅读说明：本技术 一种三波束独立极化的全息人工阻抗表面天线 (Three-beam independent polarization holographic artificial impedance surface antenna ) 是由 朱诚 谭玉龙 岳琴棉 胡靓亮 李冰琪 梁航 于 2021-09-10 设计创作，主要内容包括：一种三波束独立极化的全息人工阻抗表面天线,包括开缝金属贴片、介质基板、接地板和单极子天线；若干开缝金属贴片非周期性排布在介质基板的上表面,介质基板的上表面中心处不设置开缝金属贴片,形成单元缺损处；接地板贴于介质基板的下表面,单极子天线设置在单元缺损处。本发明非周期性排布正方形开缝金属贴片单元,减小了天线体积和重量,降低了剖面高度,易于实现与载体共形。本发明的馈电网络部分相对简单,降低了设计难度,减小了损耗。(A three-beam independent polarization holographic artificial impedance surface antenna comprises a slotted metal patch, a dielectric substrate, a ground plate and a monopole antenna; the plurality of slotted metal patches are non-periodically arranged on the upper surface of the medium substrate, and the slotted metal patches are not arranged at the center of the upper surface of the medium substrate to form a unit defect; the ground plate is attached to the lower surface of the medium substrate, and the monopole antenna is arranged at the unit defect. The square slotted metal patch units are arranged non-periodically, so that the volume and the weight of the antenna are reduced, the section height is reduced, and the antenna is easy to realize conformal with a carrier. The feed network part of the invention is relatively simple, the design difficulty is reduced, and the loss is reduced.)
技术领域
本发明属于天线技术领域，特别涉及一种三波束独立极化的全息人工阻抗表面天线。
背景技术
目前，通讯技术迅猛发展，各种各样的无线通信走入了人们的日常生活，也诞生了许多新的技术，与此同时，也带来了巨大的挑战。在军事领域，不论是飞机还是舰船，除了对天线的增益和极化等指标有较高要求外，还需要降低天线的RCS，保证其隐身性能。在这种情况下，新的天线形式应用而生，全息人工阻抗表面天线不仅具有高增益，还具有低剖面、易于共形的特点，而且能够很好的控制表面波的传播，灵活性很高。
全息人工阻抗表面天线是光学全息技术在微波领域的延伸和拓展，其设计方法沿袭了物理光学全息技术的思路，将光学全息重现中的物波换成了需要的辐射波束。根据全息技术，基于表面阻抗调制，在添加合适馈源的情况下，可以得到任意设计的辐射波束。在加工制作方面，此天线不需要复杂的馈电网络，大大减少了设计难度，也减少了引入损耗，是的全息人工阻抗表面天线具有很强的潜在优势。
现有技术公开了一种利用标量阻抗调制表面设计的四波束全息人工阻抗表面天线，通过将阵面分为四部分分别产生了四个线极化波束，波束形成效果较好；但是由于此天线采用标量阻抗单元，对表面波的调控作用有限，并不能独立控制每个波束的极化，只产生了四个相同线极化的波束。
现有技术公布了一种线极化双波束全息阻抗表面天线，通过全息阻抗调制原理，可以产生两个极化相同的波束。改天线的不足之处是，只产生了两个波束，而且两个波束的极化相同都为线极化，对波束的极化特性调控有限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三波束独立极化的全息人工阻抗表面天线，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种三波束独立极化的全息人工阻抗表面天线，包括开缝金属贴片、介质基板、接地板和单极子天线；若干开缝金属贴片非周期性排布在介质基板的上表面，介质基板的上表面中心处不设置开缝金属贴片，形成单元缺损处；接地板贴于介质基板的下表面，单极子天线设置在单元缺损处。
进一步的，开缝金属贴片为正方形，100×100的开缝金属贴片非周期性排布在介质基板上，单元缺损处的四个开缝金属贴片不设置。
进一步的，介质基板的边长为300mm厚度为h＝1.6mm，相对介电常数εr＝2.2。
进一步的，单元缺损处的介质基板中心挖通孔，单极子天线穿过通孔设置，单极子天线和一个SMA接头相接。
进一步的，不同位置处的正方形开缝金属贴片的尺寸不同，开缝角度也不同，两相邻金属贴片之间的间隙为g。
进一步的，两相邻金属贴片之间的间隙g，满足和等效标量阻抗之间的对应关系：
g＝(-3.482×10-7)Z3+(3.023×10-4)Z2-0.092×Z+10.04
其中的表示等效标量阻抗值，X表示平均阻抗，M表示调制深度，Im表示取虚部，上标*表示取共轭。
进一步的，开缝金属贴片的周期均为a＝3mm，工作频率在20GHz，非周期性排布的正方形开缝金属贴片的行数和列数均为100，开缝宽度均为0.2mm。
进一步的，单极子天线高3.8mm，半径为0.375mm。
进一步的，所有非周期性排列的开缝金属贴片阵面的边长<介质基板的边长＝接地板的边长。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明非周期性排布正方形开缝金属贴片单元，总体的天线边长为30cm，厚度为1.6mm，天线的体积与重量都很小，同时，本发明源天线与阻抗表面处于同一平面，不需要再表面前端放置馈源，降低了剖面高度，易于实现集成与共形。
本发明的采用单极子作为源天线，使用SMA头直接对单极子天线进行馈电，不需要设计复杂的馈电网络，降低了设计难度，同时也降低了一些不必要的损耗，提高了天线效率。
本发明实现了三波束和独立极化定向辐射，使得一个天线拥有不同极化的信道，可以实现不同信道同时收发，在通信和雷达探测方面有潜在优势。
本发明非周期性排布正方形开缝金属贴片单元，减小了天线体积和重量，降低了剖面高度，易于实现与载体共形。
本发明的馈电网络部分相对简单，降低了设计难度，减小了损耗。
本发明实现了三波束和独立极化定向辐射，在通信和雷达探测方面有潜在优势。
附图说明
图1为本发明的天线的俯视图；
图2为本发明的天线的侧视图；
图3为本发明实施例的回波损耗曲线图；
图4为本发明实施例所述全息人工阻抗表面天线在20GHz时XOZ面辐射方向图；
图5为本发明实施例所述全息人工阻抗表面天线在20GHz时YOZ面辐射方向图；
图6为本发明实施例所述全息人工阻抗表面天线在20GHz时的三维远场方向图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
请参阅图1至图6，本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提出一种三波束独立极化的全息人工阻抗表面天线。该天线通过张量全息阻抗表面调制技术，用单极子天线中心馈电，产生了三波束独立极化的定向辐射。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：三波束独立极化全息人工阻抗表面天线，包括正方形开缝金属贴片、介质基板、接地板和单极子天线四部分，所述介质基板一面贴非周期性排布的正方形开缝金属贴片单元，这些正方形开缝金属贴片单元组成的阵面被排布为三个部分，分别用来产生不同的波束，另一面贴接接地板，介质基板中心挖通孔，一个单极子天线穿过，来给整个全息人工阻抗表面馈电。
所述的三波束独立极化的全息人工阻抗表面天线，其特征在于：正方形开缝金属贴片单元的周期均为a＝3mm，工作频率在20GHz，非周期性排布的正方形开缝金属贴片的行数和列数均为100，开缝宽度固定，均为0.2mm
所述的三波束独立极化的全息人工阻抗表面天线，其特征在于：所有正方形开缝金属贴片非周期排布在介质基板的一面，接地板贴在介质基板的另一面。
所述的三波束独立极化的全息人工阻抗表面天线，其特征在于：介质基板采用介电常数为2.2的F4B，厚度h＝1.6mm，长度和宽度均为300mm。
所述的三波束独立极化的全息人工阻抗表面天线，其特征在于：整个天线的馈电由中心的单极子天线完成。在介质基板中心开通孔，使得设计的单极子天线穿过通孔，一边与接地板相连。单极子天线高3.8mm，半径为0.375mm。
不同位置处的正方形开缝金属贴片的尺寸不同，开缝角度也不同，两相邻金属贴片之间的间隙为g，g随工作频率和正方形开缝金属贴片的位置变化。
g的求取方法为：
步骤1.对金属贴片单元进行阻抗提取，金属贴片单元包括正方形开缝金属贴片和介质基板和接地板，介质基板和接地板的边长都为单元周期a＝3mm。
得到贴片单元间隙g和等效标量阻抗之间的对应关系：
g＝(-3.482×10-7)Z3+(3.023×10-4)Z2-0.092×Z+10.04
步骤2.根据单极子天线在全息阻抗表面波Ψr和天线的辐射波场Jsurf、Ψo1、Ψo2、Ψo3，表达式分别为：
步骤1.对金属贴片单元进行阻抗提取，金属贴片单元包括正方形开缝金属贴片和介质基板和接地板，介质基板和接地板的边长都为单元周期a＝3mm。
上式中的x和y分别为正方形开缝贴片单元的横纵坐标，代表各向异性表面上每个单元的矢量位置，为所设计的全息人工阻抗表面上的横向传播常数，表示自由空间的传播常数，其中的表示所设计的右旋圆极化波束的方位角和俯仰角，表示ψo1的波矢量，表示所设计的左旋圆极化波束的方位角和俯仰角，表示ψo2的波矢量，表示ψo3(x线极化波束,出射角度为的波矢量。通过全息表面阻抗调制计算得到不同位置处的贴片单元的表面阻抗值：
其中的表示等效标量阻抗值，X表示平均阻抗，M表示调制深度，Im表示取虚部，上标*表示取共轭。
步骤3.将步骤2中求得的等效标量阻抗值带入步骤1中，可以通过不同位置处的等效标量阻抗值求得各个位置处的相对应的g的值。
实施例：
本实施例提供一种三波束多独立极化的全息人工阻抗表面天线，其俯视图如图1所示，侧视图如图2所示，包括非周期性排布的正方形开缝贴片单元、介质基板、接地板和单极子天线。其中：
全息人工阻抗表面包括100×100非周期性排布的正方形开缝金属贴片1、中心开通孔的介质基板2、接地板3和单极子天线4；非周期性排布的正方形开缝金属贴片1在天线中心处的四个正方形开缝金属贴片单元缺损；正方形开缝金属贴片1贴于介质基板2的上表面，接地板3贴于介质基板2的下表面；介质基板2的边长为300mm，厚度h＝1.6mm，相对介电常数εr＝2.2；全息人工阻抗表面天线阵面的大小为300mm×300mm，初始单元个数为100×100个，中心馈电处缺损了4个正方形开缝金属贴片，最终的单元个数为9996个。
馈电由一个单极子天线4和一个SMA接头相接，单极子馈源4位于全息人工阻抗表面阵面中心，即四个正方形开缝金属贴片单元缺损处。
不同位置处的正方形开缝金属贴片的尺寸和开缝角度不同，不同相邻单元之间间隙为g，贴片开缝角度等于等效标量阻抗最大值所在的椭圆长轴与x轴夹角。
步骤1.对金属贴片单元进行阻抗提取，金属贴片单元包括正方形开缝金属贴片和介质基板和接地板，介质基板和接地板的边长都为单元周期a＝3mm。
得到贴片单元间隙g和等效标量阻抗之间的对应关系：
g＝(-3.482×10-7)Z3+(3.023×10-4)Z2-0.092×Z+10.04
步骤2.根据单极子天线在全息阻抗表面波Ψr和天线的辐射波场Jsurf、Ψo1、Ψo2、Ψo3，表达式分别为：
上式中的x和y分别为正方形开缝贴片单元的横纵坐标，代表各向异性表面上每个单元的矢量位置，为所设计的全息人工阻抗表面上的横向传播常数，表示自由空间的传播常数，其中的表示所设计的右旋圆极化波束的方位角和俯仰角，表示ψo1的波矢量，表示所设计的左旋圆极化波束的方位角和俯仰角，表示ψo2的波矢量，表示ψo3(x线极化波束,出射角度为的波矢量。通过全息表面阻抗调制计算得到不同位置处的贴片单元的表面阻抗值：
其中的表示等效标量阻抗值，X表示平均阻抗，M表示调制深度，Im表示取虚部，上标*表示取共轭。
步骤3.将步骤2中求得的等效标量阻抗值带入步骤1中，可以通过不同位置处的等效标量阻抗值求得各个位置处的相对应的g的值。
对本发明实施例的回波损耗进行仿真，其结果如图3所示，由图3的回波损耗曲线图可见，本发明的全息人工阻抗表面天线工作在20GHz处的回波损耗S11小于-15dB，天线工作状态良好。
图4为全息人工阻抗表面天线20GHz的XOZ面的辐射方向图，由图4可以看到主波束方向片里法向28.5度，增益为10.61Db而且线极化特性良好。这里没有严格30度是以为贴片间的耦合效应
图5为全息人工阻抗表面天线20GHz的YOZ面的辐射方向图，由图4可以看到有两个主波束，左侧波束在增益最大处右旋圆极化分量大于左旋圆极化分量21.33dB，轴比较好，具有很好的右旋圆极化特性。右侧波束增益最大处左旋圆极化分量大于右旋圆极化分量22.73Db，轴比较好，具有很好的左旋圆极化特性。
图6为全息人工阻抗表面天线子啊20GHz的三维远场方向图，可以看到三个波束，验证了多波束设计。
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