基于全息表面概念的平面多波束天线关键技术研究

Holographic multi-beam antennas possess the advantages of holographic antennas like low-profile, light-weight, conformable, high-gain and low-loss, while maintaining the radiation performance of multi-beam antennas, such as beam-forming and space coverage with a specific shape. Therefore, those novel antennas have great potential for applications in satellite communications, mobile base station and radar systems. Employing modulated electromagnetic metasurfaces as the technical method, this project aims to investigate the basic theories and key technologies in holographic surface based planar multi-beam antennas. Firstly, based on the theory of antenna analysis and synthesis, we will use the multi-beam far-field radiation pattern to derive the distributions of the corresponding aperture near-filed. Secondly, we will investigate the electromagnetic radiation principle of holographic surfaces, analyze the leaky-wave working mechanism of traditional holographic antennas, present the radiation mechanism of holographic antennas composing by sub-wavelength unit cells operating in leaky-wave mode, and then propose the beam-forming mechanism of holographic surfaces on the basis of beam-forming theory of array antennas. Besides, by further analyzing the eigen-electromagnetic property of metasurfaces, we will present the modulation formula for multi-beam holographic surfaces, which will be used to synthesize the holographic surface. Finally, we will finish the integrated design of the whole holographic multi-beam antenna with an emphasis on the investigation of the working principle of mutual coupling, interference effects between different beams, which will be further used for the design of holographic multi-beam antennas. This project can establish important theory and technology foundations for guiding the design of holographic multi-beam antennas.

全息多波束天线在具备多波束天线的波束赋形、特定形状空域覆盖等性能的同时，兼具全息天线的剖面低、重量轻、易共形、增益高、损耗低等优势，在卫星通信、移动基站、雷达系统等方面具有重要应用。本项目旨在以调制电磁超表面为技术手段，系统深入地研究基于全息概念的多波束平面天线基础理论与关键技术。首先，基于天线分析与综合理论，根据多波束目标远场方向图，获得完备的口径场分布情况；其次，探索全息表面的电磁波辐射规律，结合传统全息天线的漏波辐射工作原理，明晰全息天线在亚波长单元漏波模式工作下的辐射机理，并基于阵列天线波束形成基本理论，提出全息多波束天线的波束赋形机制；再次，在全面分析超表面本征电磁特性的基础上，建立多波束全息表面调制公式，并综合生成全息表面模型；最后，开展全息多波束天线的一体化设计，重点研究不同波束间的耦合、干涉现象及物理机制，并用于进一步指导天线设计。该项目为全息多波束天线的研究奠定坚实基础。

全息表面在平面型高指向性天线方面呈现出诸多显著优势，自提出以来在国际上备受关注并获得迅速发展。基于全息概念的多波束天线，不仅具有全息天线固有的低剖面、易共形等结构上优势，在波束赋形方面也具有高增益、低损耗、馈电简单、设计自由度高等独特优势。上述显著优势使得它在卫星通信、移动基站、雷达系统等方面具有极其重要的应用前景。本项目基于此研究背景，以调制电磁超表面为技术手段，系统深入地研究了基于全息概念的多波束平面天线基础理论与关键技术。主要的研究内容、关键结果和科学意义如下：首先，从天线近、远场间的本质关系出发，确立了通过迭代取样法实现根据多波束天线远场分布求解超表面完备的口径场分布的理论方案。并基于此，完成了超表面口径场分布与超表面阻抗调制之间的解析公式的建立与求解过程，并结合多目标优化算法实现了在已知超表面物理属性的情况下，求解出超表面的表面电流分布，该研究深入揭示了全息表面的漏波辐射机理。其次，从全息表面的漏波辐射物理机理和波束赋形原理出发，提出了简洁的全息表面调制公式，并利用所提出的全息表面调制公式及新颖的复合型全息表面结构，完成了系列高性能低剖面全息天线的设计，实现了低剖面全息天线兼具高口径效率的多波束行为。最后，研究了适宜于全息天线一体化、集成化设计的馈电结构，在实现高性能馈源天线的紧凑化设计与馈电网络一体化集成的基础上，进一步研究了紧凑化、平面天线的低旁瓣波束赋形物理机制及技术，并最终实现了高效率、低剖面、紧凑化的多波束漏波天线一体化设计。本项目的研究成果为未来应用于卫星通信、移动基站、雷达系统中的多姿态、多波束天线设计提供了有益的理论与关键技术指导。依托本项目，项目组在国内外IEEE/IET 等权威学术刊物和学术会议上发表相关学术论文24篇，其中包括SCI期刊论文14篇（其中 IEEE T-AP论文4篇），EI会议论文9篇，中文核心期刊1篇，申报国家发明专利 6 项。