[论文解读] Holographic Amplitude-Modulated (AM) Leaky-Wave Antennas for Near-Field and Far-Field Applications

Geng‐Bo Wu, Ka Fai Chan+1 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2022

Microwave Engineering and Waveguides被引用 8

一句话总结

本文提出了一种全息幅度调制（AM）表面波导天线（LWA）框架，该框架利用经典全息原理来分析和设计适用于近场与远场应用的AM LWA。通过将幅度调制视为全息记录过程，该方法能够从行波变化中同时提取幅度与相位信息，经由两个基于毫米波基板集成嵌入式介质波导（IDW）的LWA验证，实现了高增益（14.2 dBi）与近场聚焦（30 dB增益）。

ABSTRACT

Amplitude-modulated (AM) leaky-wave antenna (LWA), a concept following amplitude modulation technique from classical communications theory, is a promising structure that enables transforming traveling wave into the radiating wave. In this paper, we provide a different perspective based on the classical holographic theory to gain insight into the physical mechanism of AM LWA and design novel LWAs. In analogy to the classical optical Gabor hologram, we demonstrate that only the amplitude variation of the traveling wave is needed to record both the amplitude and phase information of the object wave. The consistency between the holography theory and previous spatial spectrum approach for explaining AM LWA operating mechanism is also demonstrated. For validation purpose, two novel millimeter-wave (mmW) holographic AM LWAs based on the substrate integrated inset dielectric waveguide (IDW) are designed. The first one is for far-field high-gain applications while the second is for near-field focusing (NFF) applications. Both simulated and measured results demonstrate the effectiveness of the AM holography theory for AM LWAs analysis and design.

研究动机与目标

• 建立全息理论框架，以理解幅度调制（AM）表面波导天线（LWA）的物理机制。
• 将经典全息理论与现有的空间谱分析方法相衔接，以解释AM LWA的工作原理。
• 基于基板集成嵌入式介质波导（IDW）设计并验证新型毫米波（mmW）LWA，适用于远场高增益与近场聚焦应用。
• 通过仿真与实测性能，在真实毫米波配置中展示全息AM方法的有效性。

提出的方法

• 采用全息类比，将行波的幅度调制视为辐射场幅度与相位信息的记录介质，类比光学中的加博全息。
• 将AM LWA建模为全息系统，其中激励波的幅度变化编码了物波的复包络分布。
• 利用空间谱方法作为互补手段，验证全息解释的一致性，确认波传播与辐射机制的一致性。
• 基于基板集成嵌入式介质波导（IDW）设计两个毫米波LWA：一个用于远场高增益辐射，另一个用于近场聚焦。
• 通过全波电磁仿真与实验测量实现并测试两种设计，以验证全息AM理论。
• 应用全息模型预测辐射图、波束宽度与增益，并与传统LWA设计方法的结果进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 经典全息理论是否可应用于解释幅度调制表面波导天线的工作原理？
• RQ2 行波的幅度调制如何实现对辐射场幅度与相位信息的同时提取？
• RQ3 全息模型与空间谱方法在描述AM LWA辐射机制方面是否具有一致性？
• RQ4 全息AM方法是否可用于设计适用于远场高增益与近场聚焦应用的实际毫米波LWA？
• RQ5 该全息设计框架在真实毫米波硬件中可实现哪些性能指标（增益、增益、波束宽度）？

主要发现

• 全息AM模型成功解释了从幅度调制行波中同时提取幅度与相位信息的机制，验证了其物理基础。
• 空间谱方法与全息理论在预测AM LWA辐射图与波束特性方面结果一致。
• 远场AM LWA实现了14.2 dBi的峰值增益，表现出高方向性，适用于高增益通信系统。
• 近场聚焦AM LWA实现了30 dB的增益，证实了在近场区域的有效波束集中。
• 两种设计的仿真与实测结果高度一致，验证了全息AM设计框架的准确性。
• 全息方法实现了基于相同物理原理的近场与远场应用统一设计方法。