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1、中国科学技术大学 硕士学位论文 全息天线的理论和实验研究 姓名：莫瑞明 申请学位级别：硕士 专业：电磁场与微波技术 指导教师：朱旗 2011-05-10 摘 要 I 摘摘 要要 在通信系统中，为了较好地传输信号，减少电磁辐射对其他通信设备的影 响，天线要求有较高的增益和较低的副瓣；同时，为了提高通讯设备的战场生 存能力，天线需要有更好的隐蔽性。传统反射面天线拥有很高的增益，但其固 定的轮廓使得其容易暴露自身位置，从而在战争中的生存能力大大降低。 全息天线是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。全息天线可以根据不同的应用环境选择全息结构中的不同部 分，实现天线与
2、使用背景的一体化，在避免高损耗馈电结构的同时，使整体结 构较为简单，从而突破了结构轮廓对天线应用的限制，同时更具有隐蔽性。 本文在阐述全息天线构建原理的基础上，分析了源天线与理想平面波的干 涉，以此确定全息结构的位置及全息天线的构成。同时对干涉极小值点的计算 进行一定的简化，得到了具有普遍意义的计算全息结构位置的表达式。 作为实例，本文利用金属导体构成的全息结构与偶极子天线分别设计和制 作了简单的一维、二维及准三维全息天线，并对它们的辐射场进行了仿真计算 和实验测试。计算和实验测试结果吻合较好，表明利用全息结构在一定程度上 可以改善源天线的辐射性能。最后，本文对全息天线的可能应用及改进方法进
3、行了探讨。 关键词关键词：全息摄影 口径天线 高增益天线 干涉图样； ABSTRACT III ABSTRACT In the communication systems, high gain and low sidelobe are required for antennas to transmit the signal better and reduce the influence of electromagnetic radiation on other communication equipments. Moreover, better concealment is needed fo
4、r antennas in order to improve the survivability of the communication equipments in the battlefield. Although the gain of traditional reflector antennas is high, their fixed outlines make them easier to expose their locations and reduce their viability significantly in the war. Holographic antennas
5、are a kind of aperture antennas which utilize holographic structures to change the radiation property of the source antenna and achieve the radiation property of the target antenna. Different parts of the holographic structures can be chosen according to different application environments to achieve
6、 the integration of the antenna with the background. While avoiding the high loss of feed, the overall structure of holographic antennas is relatively simple. These advantages make holographic antennas break through the restrictions of structural outline on the antenna applications and have more inv
7、isibility. On the basis of the principle of constructing holographic antennas, this dissertation has analyzed the interference of the source antenna and the ideal plane wave to determine the locations of the holographic structures and composition of the holographic antennas. At the same time, with t
8、he simplification of calculating the minimum points of interference, the expression bearing universal meaning for calculating the locations of the holographic structures has been derived. As an example, the holographic structure made of metal conductors and a dipole are used to design and construct
9、simple one-dimensional, two-dimensional and quasi three-dimensional holographic antennas in this dissertation. Their radiation fields have been simulated and measured. Calculated and measured results are in good agreement, which shows that using holographic structures can improve the radiation perfo
10、rmance of the source antenna to some extent. Finally, possible applications and improving methods of holographic antennas are discussed. Key words: holography， aperture antenna， high gain antenna， interference pattern 图表目录 VII 图表图表目录目录 图 1.1 一种典型的抛物面天线 1 图 1.2 一种典型的微带天线阵列 1 图 1.3 CNN 记者 Jessica Yell
11、in 的全息图像与主持人 Wolf Blitzer . 2 图 1.4 全息技术研究论文数量(ISI Web of Knowledge) 3 图 2.1 全息光学的拍摄过程 6 图 2.2 全息光学的成像过程 6 图 2.3 全息干板曝光特性曲线 9 图 2.4 加拿大皇家造币厂制造的全息金属币 10 图 2.5 手绘全息照片的过程 11 图 3.1 全息图像与干涉图样的形成 13 图 3.2 全息照片成像与全息天线的结构之间的对应关系 14 图 3.3 源天线远区辐射电场示意图 15 图 3.4 垂直入射的平面波与源天线的干涉 15 图 3.5 斜入射的平面波与源天线的干涉 16 图 3.6
12、 干涉极小值点集合与干涉平面相交示意图 17 图 3.7 不同角度入射的平面波与偶极子干涉示意图 17 图 3.8 Matlab 计算得到平面波不同角度入射时得到的干涉图样 . 18 图 3.9 HFSS 仿真不同的源天线与垂直入射平面波的干涉场 19 图 3.10 HFSS 仿真不同角度入射平面波与半波偶极子天线的干涉场 19 图 4.1 一维全息天线的俯视图与侧视图 21 图 4.2 不同角度对应的全息天线 xoy 面方向图 22 图 4.3 圆形全息结构天线 23 图 4.4 金属圆环数目对全息天线辐射的影响 23 图 4.5 金属圆环宽度对全息天线辐射的影响 24 图 4.6 2 单元
13、全息圆环 30开缝示意图 . 25 图 4.7 2 单元全息圆环 60开缝示意图 . 25 图 4.8 不同角度开缝情况下 XOZ 面辐射方向图的对比 . 25 图 4.9 3 单元全息圆环 60开缝示意图 . 26 图 4.10 3 单元全息圆环 /2 开缝示意图 26 图 4.11 不同开缝方式下 XOZ 辐射方向图的对比 . 26 图表目录 VIII 图 4.12 抛物线的层数对全息天线辐射的影响 27 图 4.13 宽频全息结构的俯视图 28 图 4.14 宽频全息结构不同频点对应的 XOY 面辐射方向图 . 28 图 4.15 开口抛物型全息结构对辐射的影响 29 图 4.16 开口
14、抛物型全息结构的层数对辐射的影响 30 图 4.17 偶极子天线和平面椭圆形全息结构构成的全息天线辐射特性 31 图 4.18 准三维全息天线 31 图 4.19 改变源与全息结构相对位置对 xoz 面辐射的影响 32 图 4.20 测试转台 33 图 4.21 测试环境微波暗室 33 图 4.22 实验用偶极子天线及其 HFSS 模型 33 图 4.23 偶极子天线 S11 参数的实验测试与仿真 . 34 图 4.24 偶极子天线辐射特性的仿真结果 34 图 4.25 抛物型全息天线的结构及辐射特性 35 图 4.26 开口抛物型全息天线的结构及辐射特性 36 图 4.27 单层圆型全息天线
15、的结构及辐射特性 37 图 4.28 双层圆型全息天线的结构及辐射特性 38 图 4.29 一维全息天线的结构及辐射特性 39 图 4.30 宽频全息结构的实物图及辐射特性的测量 40 图 5.1 飞机头部凹面天线位置图 41 图 5.2 全息天线在飞机上的构架示意图 41 图 5.3 弹头-全息结构一体化示意图 42 图 5.4 全息结构对源天线辐射特性的影响 43 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文,是本人在导师指导下进行研究工作所取得的 成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或 撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均
16、已在论文中作 了明确的说明。 作者签名：_ 签字日期：_ 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学 拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构 送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅， 可以将学位论文编入 中 国学位论文全文数据库等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 公开 保密（_年） 作者签名：_ 导师签名：_ 签字日期：_ 签字日期：_ 第 1 章 绪论 1 第第1章章 绪论绪论 1.1 选题背景及意义 近年来，随着科学技术的发展，人民生活及国防科技日益现代化，无线通 信的应用也越来越广泛。一切无线通信都是通过电磁波来收发信号的，而电磁
