一种全息阻抗调制天线及其与有源电路的融合方法与流程

1.本发明属于全息天线技术领域，特别是涉及一种全息阻抗调制天线及其与有源电路的融合方法。


背景技术：

2.全息阻抗调制天线起源于20世纪50年代末a.a.oliner和a.hessel发表的“guided waves on sinusoidally
‑
modulated reactance surfaces”一文，论文阐明了正弦调制的全息阻抗调制表面产生漏波辐射的基本原理，并总结了漏波的传播和辐射是如何由表面阻抗的大小、调制深度和调制周期来控制的。
3.相对于微带阵列天线的复杂馈电网络，全息阻抗调制天线的馈电结构十分简单；而相对于反射阵列天线和传输阵列天线，全息阻抗调制天线具有很低的剖面，更利于整体系统的集成。2005年，美国hrl实验室的sievenpiper教授及其团队首次提出了利用人工阻抗调制表面实现全息天线的概念，利用光学中的全息原理，将参考波设置为单极子天线产生的表面波，目标波设置为定向辐射的平面波，从而实现辐射波的再现。这一设计将全息阻抗调制天线从a.a.oliner等人的一维阻抗调制扩展到二维阻抗调制。
4.然而，现有技术中的全息阻抗调制天线普遍存在两个问题：
5.(1)全息阻抗调制天线中的馈源天线大多数采用传统的单极子天线，剖面仍然相对过高(即天线厚度较厚)，限制了全息阻抗调制天线的实际应用；
6.(2)有的馈源天线的馈电位置与天线位于同一平面，占用面积大，且馈电位置必须位于侧面，影响了全息阻抗调制天线的设计；
7.(3)馈源天线大多数匹配到固定值50欧姆，增加了有源电路的设计复杂度，不易与有源电路直接集成。


技术实现要素：

8.发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明公开了一种全息阻抗调制天线及其与有源电路的融合方法，解决了现有全息阻抗调制天线较厚，限制了全息阻抗调制天线的实际应用的问题。
9.技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：一种全息阻抗调制天线，包括平面馈源天线和全息阻抗调制表面，所述平面馈源天线位于所述全息阻抗调制表面上，所述平面馈源天线包括贴片天线和设置在所述贴片天线上的一组导电通孔；所述导电通孔均匀分布在所述贴片天线中心点的周边。
10.进一步的，所述导电通孔在以所述贴片天线中心点为圆心的圆周上均匀分布。
11.进一步的，所述平面馈源天线采用同轴线与有源电路连接，所述同轴线位于所述贴片天线的中心位置，所述平面馈源天线的馈电位置位于所述同轴线的底部。
12.进一步的，所述全息阻抗调制表面包括若干个反射单元，所述若干个反射单元全部为各向异性反射单元或全部为各向同性反射单元。
13.一种上述任意一项所述的全息阻抗调制天线与有源电路的融合方法，其特征在于：包括：
14.通过仿真调节全息阻抗调制天线中的平面馈源天线结构参数，使得平面馈源天线与有源电路实现共轭匹配，得到共轭匹配时的平面馈源天线结构参数；
15.根据共轭匹配时的平面馈源天线结构参数设计最终的全息阻抗调制天线，将最终的全息阻抗调制天线与有源电路集成实现融合。
16.进一步的，所述平面馈源天线结构参数包括贴片天线的形状、贴片天线的尺寸、设置在所述贴片天线上的一组导电通孔的直径以及导电通孔中心点到贴片天线中心点的距离。
17.进一步的，所述全息阻抗调制天线通过硅基工艺或者pcb工艺与有源电路集成实现融合。
18.进一步的，当全息阻抗调制天线通过硅基工艺与有源电路集成在一起时：
19.全息阻抗调制表面位于硅基工艺的最顶层金属层中，有源电路分布于硅基工艺中硅基衬底上方的至少一层金属层中；
20.有源电路通过射频传输线连接平面馈源天线，所述射频传输线分布于全息阻抗调制表面中的反射单元之间缝隙的下方。
21.进一步的，所述射频传输线分布于反射单元缝隙中间位置的下方。
22.进一步的，当全息阻抗调制天线通过pcb工艺与有源电路集成在一起时：
23.全息阻抗调制表面位于pcb工艺中最上层pcb的金属层，有源电路分布于全息阻抗调制表面下方的pcb的中的至少一层；
24.有源电路通过接地共面波导传输线连接平面馈源天线，接地共面波导传输线分布于pcb工艺中最下层pcb的金属层。
25.有益效果：相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
26.本发明的全息阻抗调制天线设计了新型的平面馈源天线，该新型的平面馈源天线包括贴片天线和设置在贴片天线上的一组导电通孔，相对于常用的单极子天线，具有更低的剖面，更易于与有源电路集成，使得本发明的全息阻抗调制天线实际应用更广泛。
27.与现有方法中的对有源电路进行设计以适应平面馈源天线的输入阻抗相比，本发明共轭匹配方法对平面馈源天线进行设计以适应有源电路的输出复阻抗，极大降低了有源电路设计复杂度，通过硅基工艺或pcb工艺集成，进一步提升了整体系统性能。
附图说明
28.图1为本发明实施例中全息阻抗调制天线的结构示意图；
29.图2为本发明实施例中全息阻抗调制天线与有源电路融合后的结构的局部侧视图；
30.图3为本发明实施例中平面馈源天线的结构示意图；
31.图4为本发明实施例中平面馈源天线的剖面示意图；
32.图5为本发明实施例中全息阻抗调制天线与有源电路的融合方法流程图；
33.图6为本发明实施例中全息阻抗调制天线的反射系数和增益与频率的关系曲线图；
34.图7为本发明实施例中全息阻抗调制天线的辐射方向图；
35.其中：1
‑
平面馈源天线；2
‑
反射单元；3
‑
全息阻抗调制表面；4
‑
射频传输线；11
‑
导电通孔；12
‑
贴片天线；13
‑
同轴线。
具体实施方式
36.下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
37.实施例1
38.如图1～4所示，本实施例公开了一种全息阻抗调制天线，包括平面馈源天线1和全息阻抗调制表面3，其中：
39.平面馈源天线1可以位于全息阻抗调制表面3上的任意位置，具体位置根据需要的辐射角度进行调整。优选的，位于全息阻抗调制表面3的中心位置。平面馈源天线1为微带单极贴片天线或其它形式贴片结构，平面馈源天线1包括贴片天线12和设置在贴片天线12上的一组导电通孔11，所述导电通孔11均匀分布在所述贴片天线中心点的周边。
40.导电通孔11用于模拟单极子天线，导电通孔11均匀分布在所述贴片天线中心点的周边，这样能够激发两种不同的谐振模式tm
01
和tm
02
，达到拓展带宽的效果。
41.均匀分布的导电通孔可以组成圆形，椭圆形，正方形或者长方形，但不限于上述形状；贴片天线的形状可以为正方形、长方形或者其他形状。
42.优选的，导电通孔11在以贴片天线12中心点为圆心的圆周上均匀分布，与其他分布方式相比能够明显的增加带宽。
43.传统的单极子天线具有相当于其波长1/4的厚度，而本发明所述的平面馈源天线1由于采用贴片天线结构，其厚度非常小，因此本发明所述的平面馈源天线1相比传统的单极子天线具有更低的剖面，更易与有源电路进行集成。
44.贴片天线12和导电通孔11能够激发两种不同的谐振模式，同时保持良好的辐射性能，满足了馈源的带宽和增益需求。
45.优选的，所述平面馈源天线1采用同轴线13与有源电路连接，所述同轴线13位于所述贴片天线的中心位置，所述平面馈源天线1的馈电位置位于所述同轴线13的底部。当采用同轴线13进行同轴馈电时，导电通孔11相当于在以同轴线13截面的中心为圆心的圆周上均匀分布。
46.全息阻抗调制表面3包括若干个反射单元2，反射单元2的数目根据全息阻抗调制表面3的面积来设置，反射单元2可以全部为各向异性反射单元，也可以全部为各向同性反射单元，由于各向异性反射单元的各项指标优于各向同性反射单元，在本实施例中，反射单元2优选全部为各向异性反射单元。
47.全息阻抗调制天线与有源电路连接时，有源电路中的射频传输线分布于反射单元之间的缝隙的下方，优选的分布于反射单元之间缝隙的中间位置的下方，降低了有源电路与天线间的干扰，降低了对天线辐射性能的影响。
48.本实施例中的平面馈源天线1具有如下优点：
49.1)平面馈源天线1比传统的单极子天线具有更低的剖面，更易与有源电路集成，贴片天线12和导电通孔11能够激发两种不同的谐振模式tm
01
和tm
02
，同时保持了良好的辐射性能，满足了馈源的带宽和增益需求；
50.2)平面馈源天线1能被同轴线13直接馈电，馈电方式简单；
51.3)平面馈源天线1的馈电位置在同轴线13的底部，可以与有源电路直接连接，进行馈电，与现有技术中馈电位置及天线位于同一层的平面馈源天线相比，本实施例中的平面馈源天线1易于与全息阻抗调制表面3协同设计。
52.实施例2
53.如图5所示，本实施例公开了一种全息阻抗调制天线与有源电路的融合方法，包括：
54.步骤s01，通过仿真调节全息阻抗调制天线中的平面馈源天线结构参数，使得平面馈源天线与有源电路实现共轭匹配，得到共轭匹配时的平面馈源天线结构参数；
55.步骤s02，根据共轭匹配时的平面馈源天线结构参数设计最终的全息阻抗调制天线，将最终的全息阻抗调制天线与有源电路集成实现融合。
56.优选的，平面馈源天线结构参数包括贴片天线的形状、贴片天线的尺寸和设置在所述贴片天线上的一组导电通孔的直径以及导电通孔中心点到贴片天线中心点的距离。
57.若导电通孔11在以贴片天线12中心点为圆心的圆周上均匀分布，导电通孔中心点到贴片天线中心点的距离即为：导电通孔11所在圆周的半径。
58.本发明对平面馈源天线1的结构的各个参数值进行设计，而不是传统将50欧姆作为平面馈源天线1的输入阻抗。
59.在本实施例中，对平面馈源天线1的结构的各个参数值进行设计可以是：为平面馈源天线1的结构的各个参数值设定取值区间，遍历各个取值区间，找到与有源电路相匹配的、功能最优的平面馈源天线1的结构的各个参数值，并根据该参数值制备平面馈源天线1，从而设计最终的全息阻抗调制天线。
60.与现有方法中的对有源电路进行设计以适应平面馈源天线1的输入阻抗相比，上述共轭匹配方法对平面馈源天线进行设计以适应有源电路的输出复阻抗，因此极大降低了有源电路设计复杂度，提升了整体系统性能。
61.优选的，所述全息阻抗调制天线通过硅基工艺与有源电路集成实现融合。
62.将全息阻抗调制表面天线与有源电路通过硅基工艺直接共轭匹配集成在一起，降低了有源电路设计复杂度，提升了整体系统性能。
63.本实施例中，全息阻抗调制天线可以通过硅基工艺或pcb工艺与有源电路集成在一起。
64.根据制程不同，在硅基工艺中可以有若干个金属层，最底层是硅基衬底；
65.当全息阻抗调制天线通过硅基工艺与有源电路集成在一起时：
66.全息阻抗调制表面3位于硅基工艺的最顶层金属层；
67.有源电路位于硅基工艺中硅基衬底的上方的至少一层金属层中；
68.有源电路通过射频传输线4连接同轴线底部的馈电位置，进而连接平面馈源天线1，射频传输线4根据具体应用情况有若干根，射频传输线4分布于硅基工艺中位于全息阻抗调制表面3下方的金属层中的至少一层，射频传输线4截面为长方形或其他形状，反射单元2之间存在缝隙，射频传输线4位置与反射单元2之间的缝隙位置对应，优选与反射单元2之间的缝隙中间位置对应，与缝隙位置对应也就是分布在缝隙位置的下方，能够降低有源电路布线对天线辐射性能的干扰，实现有源电路与天线在物理结构布局上的融合。本发明的有
源电路的射频传输线4分布于与反射单元2之间的缝隙对应的位置，综合考虑了有源电路与天线间的干扰，降低了对天线辐射性能的影响。
69.全息阻抗调制天线通过pcb工艺与有源电路集成在一起时：
70.pcb工艺包括多层pcb，全息阻抗调制表面3位于pcb工艺中最上层pcb的金属层；
71.有源电路分布于pcb工艺中位于全息阻抗调制表面3下方的pcb中的至少一层；
72.有源电路通过接地共面波导传输线连接同轴线底部的馈电位置，进而连接平面馈源天线1，接地共面波导传输线分布于pcb工艺中最下层pcb的金属层，平面馈源天线1连接接地共面波导传输线的金属焊盘，接地共面波导传输线通过金丝键合线连接有源电路。
73.图6为本实施例所述的全息阻抗调制天线的反射系数和增益，观察反射系数随频率变化曲线，结果表明在900
‑
1100ghz频带内，反射系数|s
11
|始终低于
‑
10db，说明全息阻抗调制天线与有源电路阻抗匹配良好；观察增益随频率变化曲线，可以得到全息阻抗调制天线3db增益带宽，即增益从最高点下降3db的带宽为959
‑
1072ghz，同时可观察到全息阻抗调制天线在1020ghz频点处出现最大增益18.54dbi。
74.图7为本实施例所述的全息阻抗调制天线工作在1thz的辐射方向图。仿真结果表明该全息阻抗调制天线在e面和h面的轴向增益达到18.5dbi，波束主瓣方向为法向出射(θ＝0
°
)，说明本实施例中的全息阻抗调制天线能够保持良好的辐射性能，同时满足馈源的增益需求。
75.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。