一种基于缝隙阵的波束指向二维可调全息天线及调控方法技术

本发明专利技术提供一种波束指向二维可调控的全息天线及其调控方法，属于全息天线技术领域。本发明专利技术全息天线在构造新的全息结构，即在第二金属板上设置规律缝隙阵列，并在每个阵列单元中心设置射频开关，用于漏波辐射。运用FPGA控制电路和设置于第二介质基板上表面的直流偏置网络可对每个射频开关的正负极施加不同的直流偏置电压，以控制所述射频开关的导通或断开。本发明专利技术具有结构简单、成本低廉的优势，可轻松实现任意指向的波束，以及实现波束在俯仰角和方位角上的扫描，能达到±65°扫描范围。

A beam pointing two-dimensional adjustable holographic antenna based on slot array and its control method

【技术实现步骤摘要】
一种基于缝隙阵的波束指向二维可调全息天线及调控方法
本专利技术属于全息天线
，具体涉及一种波束指向二维可调控的全息天线及其调控方法。
技术介绍
全息原理来自于光学领域，是指利用某些感光材料记录下由参考波和目标波干涉形成的干涉场进而得到干涉表面，再用参考波照射该干涉表面反演得到目标波的技术。传统的拍照技术的胶片只能记录光强信息，而全息技术可以同时记录下物光的强度和相位信息，因此可以实现物体图像的三维重现。对于将全息原理应用到微波波段的研究历经了半个多世纪，直到2010年才出现了将印刷电路板构成的阻抗表面来对应全息干涉图的做法。其基本原理是利用不同尺寸的金属贴片结构对应的表面阻抗来对应干涉强度，当参考波照射该阻抗表面时便会反演出事先设计好的目标波。因此全息天线很容易实现方向图的综合，得到期望的波束指向，但通常并不具备波束扫描能力。相控阵天线具有良好的波束扫描能力，然而其馈电网络复杂，阵元间距通常达半个波长，使得阵列面积大，而且需要大量的移相器，导致制造成本高。人工电磁超表面的发展，使得具有亚波长阵元间距的平面阵列天线成为现实，这类天线不仅结构紧凑，而且馈电结构简单。O.Yurduseven等人在文献中提出了基于微带线一维缝隙阵漏波结构的可重构全息超表面天线，实现了一维波束扫描(O.Yurduseven,D.L.Marks,T.Fromenteze,andD.R.Smith.DynamicallyreconfigurableholographicmetasurfaceapertureforaMills-Crossmonochromaticmicrowavecamera.OpticsExpress,2018,26(5):5281-5291)。但一维波束扫描的应用场景很有限，无法实现方位角和俯仰角同时偏转。对于二维波束扫描天线，R.Guzmán-Quirós等人在文献中提出了一种基于EBG结构的FP谐振腔型天线(R.Guzmán-Quirós,A.R.Weily,etc,AFabry–PérotAntennaWithTwo-DimensionalElectronicBeamScanning,IEEEtransactionsonantennasandpropagation,2016,64(4):1536-1541)，但其缺点为只能在几个固定的方位角上实现波束扫描，且只能实现±15°的小范围扫描。
技术实现思路
针对
技术介绍
所存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种基于平面缝隙阵列的波束指向二维可调全息天线，该天线基于全息原理，能够实现全方位的二维波束扫描，并且结构简单、成本低廉。为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种基于缝隙阵的波束指向二维可调全息天线，包括射频馈电部分、第一介质基板、第二介质基板、第一金属板、第二金属板、射频开关、直流偏置网络及FPGA控制电路，所述第一金属板位于第一介质基板的下表面，所述第二金属板位于第一介质基板的上表面，所述第二介质基板位于第二金属板的上表面，所述直流偏置网络设置于第二介质基板上表面，所述第一金属板接地，所述射频馈电部分与第一金属板连接，其特征在于，所述第二金属板上设置缝隙阵列，用于漏波辐射，所述缝隙阵列包括长方形缝隙单元和位于每个长方形缝隙单元中心的射频开关，所述射频开关垂直于长方形缝隙单元短边方向设置。进一步地，所述长方形缝隙单元的长度不大于二分之一导波波长，宽度不大于六分之一导波波长；相邻两个缝隙单元沿长边的间距不超过0.6倍导波波长，沿短边的间距不超过0.4倍导波波长。进一步地，所述射频开关两端分别与金属条带连接，所述金属条带设置于缝隙内使金属条带不与第二金属板接触；所述金属条带分别连接两个金属过孔，且不与第二金属板接触，所述金属过孔穿过第二介质基板与控制电路正负极相连。进一步地，所述FPGA控制电路和直流偏置网络用于通过施加直流偏置电压控制射频开关的通断。进一步地，所述射频馈电部分为同轴SMA(Sub-Miniature-A)接头，所述同轴SMA接头的内芯探针连接到第二金属板的中心点，同轴SMA接头的外壁连接第一金属板，第二金属板上以中心点为圆心设置有环形缝隙用于阻抗匹配。进一步地，所述环形缝隙的内径等于内芯探针的直径，内外径的差值为0.1mm～0.4mm，优选0.3mm。进一步地，所述射频开关为PIN二极管或MEMS开关等。进一步地，所述第一介质基板和第二介质基板的厚度均小于四分之一导波波长，宽度均大于十倍导波波长。一种基于缝隙阵的波束指向二维可调全息天线的调控方法，包括以下步骤：步骤1：根据所需目标波的波束方位角写出自由空间中目标波的平面波函数表达式ψobj；步骤2：根据已知的参考波表达式和全息原理，计算出所述第二金属板上每个缝隙单元处的干涉场场强结果存入二维矩阵中，并对矩阵中的每个值进行归一化处理，所得矩阵元素值为0到1之间；步骤3：对上述矩阵的所有元素进行二值化处理：设定一个小于1且大于0的二值化阈值s，对于二维矩阵中的每个元素，若该元素值大于或等于该阈值s则将该元素重置为1，否则，重置为0，最终得到元素值仅为0或1的矩阵；步骤4：电路控制：根据步骤3矩阵元素值确定每个对应位置处射频开关的状态，通过FPGA控制电路和直流偏置网络，为所有射频开关施加相应的直流偏置电压以控制其通断，元素值为1时施加的直流偏置电压小于其导通阈值，断开对应射频开关，元素值为0时施加的直流偏置电压大于其导通阈值，导通对应射频开关；步骤5：若目标波波束方向(俯仰角或方位角)发生改变，重复上述步骤1至步骤4。进一步地，步骤3所述二值化阈值s为0.5～0.9。综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：本专利技术提供的基于平面缝隙阵并加载射频开关的全息天线，相比已有的平面相控阵天线而言，本专利技术具有结构简单、成本低廉的优势；本专利技术的辐射原理基于全息原理，可轻松实现任意指向的波束，以及实现波束在俯仰角和方位角上的扫描；本专利技术为二维缝隙阵全息天线，相比一维缝隙阵天线具有增益更高、波束二维可扫描的优势；相比已有的FP谐振腔型天线具有扫描范围更大的优势，能达到±65°的扫描范围。附图说明图1为所述全息天线的侧视图。图2为所述全息天线的第二金属板俯视图。图3为所述全息天线的缝隙单元结构立体示意图。图4为所述全息天线的射频开关工作示意图。图5为所述全息天线整体结构的立体示意图。图6为所述全息天线的方向图仿真结果图；其中，(a)为平面方向图，(b)为平面方向图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本专利技术作进一步地详细描述。如图1所示，本实施例提供一种基于缝隙阵的波束二维可调全息天线，包括第一介质基板1、位于第一介质基板下表面的第一金属板2和位于第一介质基板上表面的第二金属板3，位于第二金属板3上表面的第二介质基板4以及馈电结构5。其中，馈电结构5为SMA(Sub-Miniature-A)接头，SMA接头的金属外壳501连接所述第一金属板2，SMA接头的内芯探针502连接第二金属板3，在第二金属板3上刻蚀如图2所示的二维缝隙阵，并且刻蚀形成一个以第二金属板3与探针502的连接点为圆心的环形缝隙301，环形缝隙的内径等于内芯探针的直径，内外径的差值本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于缝隙阵的波束指向二维可调全息天线，包括射频馈电部分、第一介质基板、第二介质基板、第一金属板、第二金属板、射频开关、直流偏置网络及FPGA控制电路，所述第一金属板位于第一介质基板的下表面，所述第二金属板位于第一介质基板的上表面，所述第二介质基板位于第二金属板的上表面，所述直流偏置网络设置于第二介质基板的上表面，所述第一金属板接地，所述射频馈电部分与第一金属板连接，其特征在于，所述第二金属板上设置缝隙阵列，用于漏波辐射，所述缝隙阵列包括长方形缝隙单元和位于每个长方形缝隙单元中心的射频开关，所述射频开关垂直于长方形缝隙单元短边方向设置。

【技术特征摘要】
1.一种基于缝隙阵的波束指向二维可调全息天线，包括射频馈电部分、第一介质基板、第二介质基板、第一金属板、第二金属板、射频开关、直流偏置网络及FPGA控制电路，所述第一金属板位于第一介质基板的下表面，所述第二金属板位于第一介质基板的上表面，所述第二介质基板位于第二金属板的上表面，所述直流偏置网络设置于第二介质基板的上表面，所述第一金属板接地，所述射频馈电部分与第一金属板连接，其特征在于，所述第二金属板上设置缝隙阵列，用于漏波辐射，所述缝隙阵列包括长方形缝隙单元和位于每个长方形缝隙单元中心的射频开关，所述射频开关垂直于长方形缝隙单元短边方向设置。2.一种如权利要求1所述的基于缝隙阵的波束指向二维可调全息天线，其特征在于，所述长方形缝隙单元的长不大于二分之一导波波长，宽度不大于六分之一导波波长，相邻两个缝隙单元沿长边的间距不超过0.6倍导波波长，沿短边的间距不超过0.4倍导波波长。3.一种如权利要求1所述的基于缝隙阵的波束指向二维可调全息天线，其特征在于，所述射频开关两端分别与金属条带连接，所述金属条带不与第二金属板接触；所述金属条带分别连接两个金属过孔，且不与第二金属板接触，所述金属过孔穿过第二介质基板与控制电路正负极相连。4.一种如权利要求1所述的基于缝隙阵的波束指向二维可调全息天线，其特征在于，所述FPGA控制电路和直流偏置网络用于通过施加直流偏置电压控制射频开关的通断。5.一种如权利要求1所述的基于缝隙阵的波束指向二维可调全息天线，其特征在于，所述射频馈电部分为同轴SMA接头，所述同轴SMA接头的内芯探针连接到第二金属板的中心点，同轴SMA接头的外壁连接...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁锋，谢雨希，刘琦，汪相如，王秉中，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51