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现代社会信息化的程度日益加深，无线通信已广泛应用于生活和工作的各个领域。用于实现探测与定位作用的天线则是无线通信系统的核心，天线的性能优良直接关系到信息是否能及时有效的传达。因此，如何能够使得天线具有更高的增益、更好的定向性，并且能够性能稳定、易于与其他器件集成成为了天线设计者关注的重点。全息天线有着区别于传统天线和天线阵列的设计和实现形式，具有低轮廓、构建形式灵活的特点，对馈源天线的要求低，馈电结构简单，能够实现高增益和高定向性。并且全息天线的研究与微波透镜、反射面天线、微波超材料、电磁调制等相关概念相互交叉，可以为天线的设计带来更多的可能性和创新性。
本文以提升全息天线的性能作为研究目的，着重聚焦了全息天线馈源改进、增益提升、调制方法改进、波长复用等研究内容，结合相关的理论，做出了一些创新性的研究工作，主要工作包括以下几个方面：
1.本文研究了平面透镜的设计方法。表面波发射器是常见的条带型全息天线馈源形式，可以产生性能良好的柱状表面波。为了进一步改善此类馈源的性能，本文基于周期性亚波长单元结构，设计了一种平面透镜，可以将柱状表面波转化为均匀平面波。将该透镜应用于直线条带型全息天线的设计当中，实验结果表明，天线辐射性能较之于不加透镜得到大幅度改善，波束增益提高了约5dB。在此基础上，本文进一步设计了一种新型的―条带组合式‖单元结构，并将其应用于平面透镜的设计当中，所提出的新型单元结构可以更加灵活地对电磁波波前进行调控。
2.本文研究了提高条带型全息天线增益的方法，提出了一种阵列式馈源结构。惠更斯原理指出，具有相同相位与幅度的无限点源互相叠加，理论上可以形成完美的均匀平面波。基于这一理论，本文将表面波发射器作为点源，采用四个表面波发射器组成阵列式馈源，产生均匀平面波，再利用直线条带式全息结构实现了漏波辐射。实验结果表明，相比于采用单个表面波发射器作为馈源的设计方法，采用阵列式馈源的全息天线主波束增益提高了6dB。
3.在2中设计得到的天线中，电场沿条带方向(波未进行调制的方向)理论上应该是正弦分布，但是由于直线条带并不是无限长的，介质板截断的部分会产生波的反射，这使得电场沿条带方向的正弦分布受到影响，天线的辐射性能下降。因此，本文提出了一种短路销调制方法，即通过在沿条带方向加入接地短路销来改善电场分布，提升天线辐射性能。实验结果表明，该方法将2中所设计天线的主波束增益进一步提高了1.9dB。
4.本文研究了全息天线的多波束设计方法。人工电磁表面对电磁波具有灵活的调控作用，作为人工电磁表面的应用之一，阻抗调制表面在全息天线的设计中扮演重要角色。本文设计了一种基于阻抗调制表面的增益可控四波束全息天线，通过调节每个波束的幅度系数，可以独立控制每个波束的增益。同时，本文对全息天线的频扫特性做出了分析，给出了所设计的四波束全息天线的频扫角度范围。
5.本文研究了全息天线的波长复用设计方法。全息天线具有频扫特性，因此，对于传统的设计，同一全息天线难以实现在不同频率下的相同波束方向辐射。在此背景下，本文对波长复用全息技术进行了重点研究。首先采用直接调制法，将四个具有不同频率、相同辐射角度的全息波束信息同时记录在同一个全息表面上。由于不同波束的调制会产生相互耦合作用，严重影响了天线的辐射性能，因此本文提出了一种改进的分区调制方法，将整个全息表面分成四个区域，每个区域中进行双波长阻抗调制。这一方法在保证每个波束调制面积尽可能大的同时，有效降低了不同波束调制之间的耦合作用，显著改善了天线整体的辐射性能，最终实现了四波长全息复用，即全息天线在17GHz、18GHz、19GHz、20GHz四种不同频率下具有相同角度的波束辐射。
本文以提升全息天线的性能作为研究目的，着重聚焦了全息天线馈源改进、增益提升、调制方法改进、波长复用等研究内容，结合相关的理论，做出了一些创新性的研究工作，主要工作包括以下几个方面：
1.本文研究了平面透镜的设计方法。表面波发射器是常见的条带型全息天线馈源形式，可以产生性能良好的柱状表面波。为了进一步改善此类馈源的性能，本文基于周期性亚波长单元结构，设计了一种平面透镜，可以将柱状表面波转化为均匀平面波。将该透镜应用于直线条带型全息天线的设计当中，实验结果表明，天线辐射性能较之于不加透镜得到大幅度改善，波束增益提高了约5dB。在此基础上，本文进一步设计了一种新型的―条带组合式‖单元结构，并将其应用于平面透镜的设计当中，所提出的新型单元结构可以更加灵活地对电磁波波前进行调控。
2.本文研究了提高条带型全息天线增益的方法，提出了一种阵列式馈源结构。惠更斯原理指出，具有相同相位与幅度的无限点源互相叠加，理论上可以形成完美的均匀平面波。基于这一理论，本文将表面波发射器作为点源，采用四个表面波发射器组成阵列式馈源，产生均匀平面波，再利用直线条带式全息结构实现了漏波辐射。实验结果表明，相比于采用单个表面波发射器作为馈源的设计方法，采用阵列式馈源的全息天线主波束增益提高了6dB。
3.在2中设计得到的天线中，电场沿条带方向(波未进行调制的方向)理论上应该是正弦分布，但是由于直线条带并不是无限长的，介质板截断的部分会产生波的反射，这使得电场沿条带方向的正弦分布受到影响，天线的辐射性能下降。因此，本文提出了一种短路销调制方法，即通过在沿条带方向加入接地短路销来改善电场分布，提升天线辐射性能。实验结果表明，该方法将2中所设计天线的主波束增益进一步提高了1.9dB。
4.本文研究了全息天线的多波束设计方法。人工电磁表面对电磁波具有灵活的调控作用，作为人工电磁表面的应用之一，阻抗调制表面在全息天线的设计中扮演重要角色。本文设计了一种基于阻抗调制表面的增益可控四波束全息天线，通过调节每个波束的幅度系数，可以独立控制每个波束的增益。同时，本文对全息天线的频扫特性做出了分析，给出了所设计的四波束全息天线的频扫角度范围。
5.本文研究了全息天线的波长复用设计方法。全息天线具有频扫特性，因此，对于传统的设计，同一全息天线难以实现在不同频率下的相同波束方向辐射。在此背景下，本文对波长复用全息技术进行了重点研究。首先采用直接调制法，将四个具有不同频率、相同辐射角度的全息波束信息同时记录在同一个全息表面上。由于不同波束的调制会产生相互耦合作用，严重影响了天线的辐射性能，因此本文提出了一种改进的分区调制方法，将整个全息表面分成四个区域，每个区域中进行双波长阻抗调制。这一方法在保证每个波束调制面积尽可能大的同时，有效降低了不同波束调制之间的耦合作用，显著改善了天线整体的辐射性能，最终实现了四波长全息复用，即全息天线在17GHz、18GHz、19GHz、20GHz四种不同频率下具有相同角度的波束辐射。