全息天线仿真分析

张 骅

(西安导航技术研究所 基础专业部，陕西 西安710068)

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

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

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Eθ=0，其φ分量参考图1可表示为

设一与干涉平面夹角为α的斜出射平面波，其电场幅度为E1，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

图1 斜入射的平面波与源天线的干涉

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1.6 mm，损耗角正切0.001 7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12 GHz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。

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。

［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.