全息天線仿真分析

張 驊

(西安導(dǎo)航技術(shù)研究所 基礎(chǔ)專業(yè)部，陜西 西安710068)

全息技術(shù)由英國的Gabor［1］為提高電子顯微鏡分辨率于1948年提出，其以波動光學(xué)為基礎(chǔ)，利用光的干涉和衍射原理，將物體發(fā)出的特定光波以干涉條紋的形式記錄下來，并在一定的條件下使其重現(xiàn)。光也是一種電磁波，因此，全息技術(shù)可從光波擴展到微波領(lǐng)域，微波全息的概念由Rogers于1950年提出［2］，而Checacci于1970年在微波全息基礎(chǔ)上首次提出了全息天線的概念［3］。

全息天線是一種利用全息結(jié)構(gòu)改變源天線輻射特性，以獲得目標(biāo)天線輻射特性的一種口徑天線。相對于傳統(tǒng)反射面天線，其在其輻射方向上無饋源遮擋問題，相對于微帶天線陣，其無需復(fù)雜的饋電結(jié)構(gòu)。全息天線整體結(jié)構(gòu)較為簡單，突破了輪廓結(jié)構(gòu)對天線應(yīng)用的限制。

1 全息天線技術(shù)介紹

全息天線利用光學(xué)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(shè)計制作全息結(jié)構(gòu)以記錄干涉電磁波的幅度和相位信息，入射波照射在全息結(jié)構(gòu)上會發(fā)生衍射，以達到獲得所需反射波的目的，從而能夠通過形成不同的全息結(jié)構(gòu)實現(xiàn)輻射方向圖的掃描［4］。

設(shè)入射波為S，出射波為R，全息介質(zhì)板為H，則三者有如下關(guān)系

因此，全息介質(zhì)板H上的全息結(jié)構(gòu)可由表達式R－S求得。

理想金屬可以實現(xiàn)理想電壁的邊界條件，根據(jù)電磁場理論的唯一性原理，在干涉場的極小值點處放置金屬可以“記錄”源天線與目標(biāo)天線的干涉場，從而得到與全息技術(shù)中全息照片對應(yīng)的全息結(jié)構(gòu)，故多采用在干涉場極小值點位置放置金屬的方法構(gòu)建全息結(jié)構(gòu)［5］。根據(jù)天線理論，天線遠場輻射可表示為

不失一般性，現(xiàn)討論線極化源天線的情況，選取源的極化方向為水平極化，取與源天線輻射電場方向平行的平面XOY面為干涉平面，因而源天線電場θ分量Eθ=0，其φ分量參考圖1可表示為

設(shè)一與干涉平面夾角為α的斜出射平面波，其電場幅度為E1，與源天線輻射場初始相位差為φ0，方向沿x正向，則二者的干涉場為

圖1 斜入射的平面波與源天線的干涉

2 全息天線仿真及結(jié)果分析

利用H面喇叭作為全息天線的饋源，在其電磁波出射方向放置全息結(jié)構(gòu)，喇叭口平面中心和同心圓族的圓心或橢圓族的焦點重合，且全息結(jié)構(gòu)和喇叭的電場強度矢量在同一平面內(nèi)。仿真所用天線模型及其坐標(biāo)系如圖2所示，天線由饋源喇叭和全息結(jié)構(gòu)組成。介質(zhì)板采用介電常數(shù)εr=2.6，厚度為1.6 mm，損耗角正切0.001 7的聚四氟乙烯，組成全息結(jié)構(gòu)的金屬條紋采用銅材料。

圖2 全息天線仿真模型及其坐標(biāo)系

根據(jù)出射平面波的傳播方向的不同，在點頻12 GHz下計算并建立干涉圖案模型如圖3所示，由圖可見，在相同高低角θ下，隨著出射方位角φ的不同，干涉條紋出現(xiàn)明顯變化。根據(jù)全息天線理論，當(dāng)饋源天線照射全息結(jié)構(gòu)時，出射平面波將按照定義干涉條紋時的傳播方向傳播。

圖3 干涉圖案模型

圖4為圖3中各干涉圖案對應(yīng)的輻射方向圖，由輻射方向圖可知，全息天線的輻射為關(guān)于干涉平面對稱的雙向輻射，這是由于全息成像的共軛特性造成的。在平行于介質(zhì)板的方向上，出現(xiàn)兩個較大的副瓣，其中沿喇叭天線輻射方向的副瓣由喇叭天線輻射產(chǎn)生，而相反方向的副瓣由介質(zhì)板和金屬條紋反射的電磁波形成，對于其它方向上的副瓣，需另行分析其形成原因。結(jié)果表明，通過改變?nèi)⒔Y(jié)構(gòu)可以使全息天線具有一定范圍內(nèi)的波束掃描功能。

圖4 全息天線輻射方向圖

3 結(jié)束語

本文首先分析了全息天線的基本工作原理，并通過源天線輻射場與理想平面波的干涉確定了全息結(jié)構(gòu)的位置，構(gòu)建了全息天線仿真模型，其仿真結(jié)果與理論設(shè)計預(yù)期具有較好的一致性。通過對全息天線仿真結(jié)果的分析可知，適當(dāng)改變?nèi)⒔Y(jié)構(gòu)的形狀和位置，可以實現(xiàn)預(yù)定方向的增益輻射和一定范圍內(nèi)的波束掃描，因此全息天線在未來的無線通信和目標(biāo)探測中具有較好的應(yīng)用前景。

［1］GABOR D.A new microscope principle［J］.Nature，1948，161(4098):777－778.

［2］ROGERS G L.A new method of analysing ionospheric movement records［J］.Nature，1950，177(4509):613－614

［3］CHECCACCI P，RUSSO V，SCHEGGI A.Holographic antenna［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，1970，18(6):811－813.

［4］SOORIYADEVAN P，MCNAMARA D A，PETOSA A，et al.Electromagnetic modeling and optimization of a planer holographic antenna［J］.IEEE Transactions on Antennas Propagat，2007，1(3):693－699.

［5］CHECCACCI P F，PAPI G，RUSSO V，et al.A holographic VHF antenna［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，1971，19(2):278－279.