全息天线仿真分析_张骅

电子·

电路

2013年第26卷第11期

Electronic Sci.&Tech./Nov.15,2013

收稿日期:2013-05-14

作者简介:张骅(1978—),男,博士,高级工程师。研究方向:卫星导航抗干扰技术。E-mail :LFZH2000@https://www.360docs.net/doc/2118095115.html, 全息天线仿真分析

(西安导航技术研究所基础专业部,陕西西安710068)

描述了采用全息天线理论,实现天线方向图动态可重构的基本原理。计算机仿真表明,全息天线的全息结构条纹与所需辐射方向图之间的对应关系。因此只需调整条纹结构就可实现方向图的空间方位扫描。

关键词全息天线;光波干涉;电磁计算仿真

中图分类号

TN821

文献标识码

A

文章编号1007-7820(2013)11-080-03

Simulation of the Holographic Antenna

ZHANG Hua

(Department of Fundamental Courses ,Xi'an Research Institute of Navigation Technology ,Xi'an 710068,China )

Abstract

Reconfigured antenna is a developing special antenna.The use of holographic antenna to realize

reconfigured antenna pattern is described.The relationship of the holographic frame and the required radiation pat-tern are analyzed by computer simulation.The pattern scanning can be achieved simply by adjusting the holographic frame.

Keywords

holographic antenna ;lightwave interference ;electromagnetic simulation calculation

全息技术由英国的Gabor [1]

为提高电子显微镜分辨率于1948年提出,其以波动光学为基础,利用光的

干涉和衍射原理,将物体发出的特定光波以干涉条纹

的形式记录下来,

并在一定的条件下使其重现。光也是一种电磁波,因此,全息技术可从光波扩展到微波领

域,微波全息的概念由Rogers 于1950年提出[2]

,而Checacci 于1970年在微波全息基础上首次提出了全

息天线的概念[3]

全息天线是一种利用全息结构改变源天线辐射特性,以获得目标天线辐射特性的一种口径天线。相对于传统反射面天线,其在其辐射方向上无馈源遮挡问

题,

相对于微带天线阵,其无需复杂的馈电结构。全息天线整体结构较为简单,突破了轮廓结构对天线应用的限制。

1全息天线技术介绍

全息天线利用光学全息理论,根据已知的入射波和需要的反射波,借助计算机辅助计算,在介质板上设计制作全息结构以记录干涉电磁波的幅度和相位信

息,

入射波照射在全息结构上会发生衍射,以达到获得所需反射波的目的,从而能够通过形成不同的全息结

构实现辐射方向图的扫描[4]

设入射波为S ,出射波为R,全息介质板为H ,则三

者有如下关系

S +H =R

(1)

因此,全息介质板H 上的全息结构可由表达式

R-S 求得。

理想金属可以实现理想电壁的边界条件,根据电

磁场理论的唯一性原理,

在干涉场的极小值点处放置金属可以“记录”源天线与目标天线的干涉场,从而得

到与全息技术中全息照片对应的全息结构,故多采用在干涉场极小值点位置放置金属的方法构建全息结构

[5]

。根据天线理论,天线远场辐射可表示为

E (r ,θ,φ)=E (θ,φ)e

-j (kr )

1

r

(2)

不失一般性,现讨论线极化源天线的情况,选取源的极化方向为水平极化,取与源天线辐射电场方向平行的平面XOY 面为干涉平面,因而源天线电场θ分量E θ=0,其φ分量参考图1可表示为

E (θ,φ)=E (φ)x E φx +y E φy

(3)

式中有

E φx =E (φ)e -j (kr )

r

sin φ

(4)E φy

=-E (φ)e -j (kr )

r

cos φ

(5)设一与干涉平面夹角为α的斜出射平面波,其电场幅度为E 1,与源天线辐射场初始相位差为φ0,方向沿x 正向,则二者的干涉场为

E total =E 1-E =x E total +y E total_y

(6)

张骅:全息天线仿真分析

电子·电路

图1斜入射的平面波与源天线的干涉

E total_x =E 1e

-j kr sin φcos α

-E (φ)sin φ

e -j (kr +φ0)

r

(7)E total_y

=E (φ)cos φ

e -j (kr +φ0)

r

(8)

可以通过求E total 极小值点的方法确定干涉场电场E total 幅值极小值点的位置,当平面波斜入射时,极小值点的集合将构成共焦点的椭圆族,

当平面波垂直于干涉平面入射时,

极小值点的集合将构成同心圆族。2全息天线仿真及结果分析

利用H 面喇叭作为全息天线的馈源,在其电磁波

出射方向放置全息结构,

喇叭口平面中心和同心圆族的圆心或椭圆族的焦点重合,且全息结构和喇叭的电

场强度矢量在同一平面内。仿真所用天线模型及其坐标系如图2所示,天线由馈源喇叭和全息结构组成。介质板采用介电常数εr =2.6,厚度为1.6mm ,损耗角正切0.0017的聚四氟乙烯,组成全息结构的金属条纹采用铜材料

图2全息天线仿真模型及其坐标系

根据出射平面波的传播方向的不同,在点频12GHz 下计算并建立干涉图案模型如图3所示,由图可见,

在相同高低角θ下,随着出射方位角φ的不同,干涉条纹出现明显变化。根据全息天线理论,当馈源天线照射全息结构时,出射平面波将按照定义干涉条纹时的传播方向传播

图3干涉图案模型

图4为图3中各干涉图案对应的辐射方向图,由

辐射方向图可知,

全息天线的辐射为关于干涉平面对称的双向辐射,这是由于全息成像的共轭特性造成的。

在平行于介质板的方向上,出现两个较大的副瓣,其中沿喇叭天线辐射方向的副瓣由喇叭天线辐射产生,而相反方向的副瓣由介质板和金属条纹反射的电磁波形成,对于其它方向上的副瓣,需另行分析其形成原因。结果表明,通过改变全息结构可以使全息天线具有一定范围内的波束扫描功能。

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张骅:全息天线仿真分析

图4全息天线辐射方向图

3结束语

本文首先分析了全息天线的基本工作原理,并通

过源天线辐射场与理想平面波的干涉确定了全息结构

的位置,

构建了全息天线仿真模型,其仿真结果与理论设计预期具有较好的一致性。通过对全息天线仿真结

果的分析可知,

适当改变全息结构的形状和位置,可以实现预定方向的增益辐射和一定范围内的波束扫描,因此全息天线在未来的无线通信和目标探测中具有较

好的应用前景。参考文献

[1]GABORD.A new microscope principle [J ].Nature ,1948,

161(4098):777-778.

[2]ROGERS G L.A new method of analysing ionospheric move-ment records [

J ].Nature ,1950,177(4509):613-614[3]CHECCACCI P ,RUSSO V ,SCHEGGI A.Holographic anten-na [J ].IEEE Transactions on Antennas and Propagation ,1970,18(6):811-813.

[4]SOORIYADEVAN P ,MCNAMARA D A ,PETOSA A ,et al.

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[5]CHECCACCI P F ,PAPI G ,RUSSO V ,et al.A holographic

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J ].IEEE Transactions on Antennas and Prop-agation ,

1971,19(2):278-279.

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