一种微波全息天线的设计

张 琦 周 亮

（1.中国电子科技集团公司第二十研究所 陕西 西安 710068；2.长沙机电产品研究开发中心 湖南 长沙 410100）

目前，微波全息技术已在许多领域得到广泛应用，其应用包括雷达回波的相干检测，如侧视雷达[1]和HISS雷达[2][3]，无损探测不透光介质内部结构等。微波全息技术的另一种应用是制作全息天线，本文主要探讨全息天线原理，并通过仿真工具对其原理进行验证，仿真结果表明，通过优化的结构设计，可以利用微波全息理论设计全息天线[4]。

1 天线设计

本文所讨论的全息天线其辐射口径是由金属图案决定的，在其它文献中也将其称为“空间馈源和栅格天线”。使用喇叭天线作为馈源，并在介质板上利用光刻的方法形成金属图案。由于其金属图案是由反射波束和入射波束相干涉而成，而“干涉”经常用于光学全息图案的形成，因此，称这种天线为全息天线[5]。其辐射方向图由在喇叭辐射下的金属条纹位置决定。

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图案，入射波照射在全息图案上会发生衍射，从而达到获得所需反射波的目的。

图1 全息天线原理示意图

图2 理论计算得到的全息图案

图3 全息天线仿真结构图

设入射球面波为S，反射平面波为R，全息介质板为H，则三者有如下关系：S+H=R。因此，全息介质板H上的全息图案可由表达式R-S求得，如图1所示，通过计算得到全息图案如图2所示。

全息天线基本结构为一块可反射电磁波的介质板，并以电磁场理论为理论基础，经过合理的结构设计，利用刻蚀金属的方法形成由金属条纹组成的全息图案，该介质板可对辐照在其表面的球面电磁波进行适度的幅度和相位调制，从而将入射球面波转化为反射的平面波。全息天线仿真用结构如图3所示。

2 结果分析

图4 全息天线的远场辐射方向图

图5 H面方向图

图6 E面方向图

按照上述所建模型进行仿真计算，图4为全息天线的三维远场辐射方向图。可以看出，在垂直于介质板的x轴方向，出现辐射的主波束，其主波束指向为计算全息图案时所用平面波传播方向。图5和图6分别为H面和E面方向图。由图7可知，随金属干涉条纹数量增加，天线增益变大，而其主波束指向并未发生较大改变。

图7 金属条纹数量对天线增益的影响

3 结束语

全息天线利用光学全息原理，通过在介质板上刻蚀金属形成全息图案，以对入射的球面电磁波进行适度的幅度和相位调制，从而获得所需的反射平面波。本文利用仿真工具对其理论的实现性进行了验证。结果表明，通过合理的结构设计，利用微波全息原理可进行全息天线的设计。可通过理论的继续探索及分析结构对天线性能的影响，来提高天线的性能，需进行进一步研究。

［1］E.N.Leith, “Quasi-holographic techniques in the microwave region”Proc.IEEE,vol.59,pp.1305-1318,sept.1971.

［2］K.Iizuka,V.K.Nguyen,and H.Ogura,“Review of electrical properties of ice and HISS down-looking radar foe measuring ice thickness”Can.Aeronaut.Space J.,vol.17,pp.429-430,Dec.1971.

［3］H.Ogura and K.Iizuka, “Holographic matrix and its application to a novel radar”Proc.IEEE,vol.61,pp.1040-1041,July 1973.

［4］P.F.Checcacci,G.P.Papi,and V.Rosso,“Holographic VHF antennas” IEEE Trans.Antennas Propagat.,pp.278-279,Mar.1971.

［5］Moniem EISherbiny,Aly E.Fathy,and Arye Rosen, “Holographic Antenna Concept,Analysis,and Parameters”IEEE Trans.Antennas Propagat.,vol.52,pp.830-839,Mar.2004.