全息天线及其制备方法、全息天线的波束调控方法与流程

1.本公开涉及通信技术领域，尤其涉及一种全息天线及其制备方法、全息天 线的波束调控方法。


背景技术：

2.波束调控阵列对于5g fr2频段(24.25ghz-52.6ghz)毫米波通信的基础 设施是一项关键技术。在毫米波链路中，波束成型通过提供额外的天线增益减 小了射频链路的传播损耗质量。在已有的应用中，相控阵技术要求对天线阵的 每个单元附加功率放大器、低噪放大器和移相器，使得天线整体结构极其复杂， 功率消耗极大且制造成本很高。大规模的mimo技术对波束的处理都是在数字 域进行，所以需要对阵列单元配备相应的模拟-数字转换器(adc)或(dac)， 此外mimo还依赖于信道互易性来计算发射系数，这对于信道进化速度过快的 高频毫米波(f》30ghz)通信是失效的。基于上述技术的限制或弊端，出现了新 的波束调控技术，即全息波束成型技术(hbf)。
3.全息波束成型技术将天线阵列的整体架构变得极为简洁，仅需要给每个单 元配备一个简单的开关元件。同时，将光学的全息原理延伸到微波频段，借助 超表面阵列结构记录对象的全部信息可实现更精确的波束指向控制。天线阵列 结构的简化带来了低成本和低功耗，全息控制思想可实现更快速、更精确的目 标追踪响应，使得基于全息原理的波束成型天线阵列拥有更宽泛的应用潜力。
4.全息原理诞生于光学领域，利用干涉的方法同时记录光场的振幅和相位， 形成全息图；然后用照射时的同波长相干光照射全息图来实现图像的重现，图 1a全息图生成过程原理图，图1b为采用全息图实现图像重现的原理图。如图 1a所示，物波(object wave)与参考波(reference wave)干涉后，产生全息图 (hologram)；如图1b所示，采用参考波(reference wave)照射全息图 (hologram)，产生了两个像，一个是实像(true image)，一个是共轭像 (conjugate image)，实现物体的重现。
5.现有技术中，基于全息原理的全息天线主要基于一维和静态，或者通过一 维并排技术实现等效二维效果的指向，这些方法存在栅瓣影响，并且一维子波 束之间的合成需要引入额外的算法处理和算法优化，增大了算法处理难度，并 且指向效果欠佳。


技术实现要素：

6.本公开实施例提供一种全息天线及其制备方法、全息天线的波束调控方法， 以解决或缓解现有技术中的一项或更多项技术问题。
7.作为本公开实施例的第一个方面，本公开实施例提供一种全息天线，包括：
8.天线本体，包括相对设置的第一衬底基板、第二衬底基板和液晶层，液晶 层位于第一衬底基板和第二衬底基板之间，天线本体包括多个天线单元；
9.波导，位于第一衬底基板的背离第二衬底基板的一侧；
10.馈电口，位于波导的背离天线本体的一侧，馈电口位于天线本体的中心。
11.在一些可能的实现方式中，第一衬底基板采用玻璃衬底，第二衬底基板采 用玻璃衬底。
12.在一些可能的实现方式中，波导的介电常数的范围为4～5。
13.在一些可能的实现方式中，电磁波在波导中传输的工作波长为λg，相邻两 个天线单元的间距为λg/2。
14.作为本公开实施例的第一个方面，本公开实施例提供一种全息天线的制备 方法，包括：
15.提供天线本体和波导，天线本体包括相对设置的第一衬底基板、第二衬底 基板和液晶层，液晶层位于第一衬底基板和第二衬底基板之间，天线本体包括 多个天线单元；
16.将波导设置在第一衬底基板的背离第二衬底基板的一侧；
17.在波导的背离天线本体的一侧设置馈电口，馈电口位于天线本体的中心。
18.在一些可能的实现方式中，提供天线本体，包括：
19.制备第一衬底基板，包括：采用沉积工艺在第一衬底的一侧形成第一电极 层，沉积功率的范围为90w～110w，氩气速率为34sccm～45sccm；
20.制备第二衬底基板，包括：采用沉积工艺在第二衬底的一侧形成第二电极 层，沉积功率的范围为90w～110w，氩气速率为34sccm～45sccm；在第二电极 层的背离第二衬底的一侧形成多个隔离柱；
21.将第一衬底基板和第二衬底基板对盒，第一电极层朝向第二衬底基板，第 二电极层朝向第一衬底基板；
22.向第一衬底基板和第二衬底基板之间注入液晶，形成液晶层。
23.作为本公开实施例的第三个方面，本公开实施例提供一种全息天线的波束 调控方法，应用于本公开任一实施例中的全息天线，方法包括：
24.根据预设波束和参考波，获得全息图在全息天线的各天线单元的全息相位， 全息图由预设波束和参考波相干涉得到；
25.根据预设的相位阈值和各天线单元的全息相位，获得全息图在各天线单元 的相位分布状态；
26.根据各天线单元的相位分布状态，调控各天线单元的工作状态；
27.控制参考波馈入全息天线，获得全息天线的远场方向图。
28.在一些可能的实现方式中，还包括：
29.根据全息图在各天线单元的相位分布状态，对阵列因子进行调节，获得各 天线单元对应的调节后的阵列因子。
30.在一些可能的实现方式中，根据预设波束和参考波，获得全息图在全息天 线的各天线单元的全息相位，包括：
31.根据预设波束，确定预设波束在各天线单元的第一相位；
32.根据参考波，确定参考波在各天线单元的第二相位；
33.根据各天线单元的第一相位和第二相位，确定全息图在各天线单元的全息 相位。
34.在一些可能的实现方式中，预设波束包括第一指向角度和第二指向角度， 根据预设波束，确定预设波束在各天线单元的第一相位，包括：
35.以全息天线的中心为原点，确定各天线单元的位置坐标(xi，yi)；
36.根据各天线单元的位置坐标、第一指向角度和第二指向角度，确定预设波 束在各天线单元的第一相位。
37.在一些可能的实现方式中，各天线单元的第一相位满足以下表达式：
38.phase1＝k
1 x
l sin(θ1)cos(φ1)+k
1 y
l sin(θ1)sin(φ1)，
39.其中，phase1表示第一相位，θ1为第一指向角度，φ1为第二指向角度，k1为预设波束的传播常数，k1＝2π/λ1，λ1为预设波束的波长。
40.在一些可能的实现方式中，根据相位阈值和各天线单元的全息相位，获得 全息图在各天线单元的相位分布状态，包括：
41.将各天线单元的全息相位与相位阈值进行比较，
42.在全息相位小于或等于相位阈值的情况下，将对应的天线单元的相位分布 状态的值确定为1；
43.在全息相位大于相位阈值的情况下，将对应的天线单元的相位分布状态的 值确定为0。
44.在一些可能的实现方式中，相位阈值的取值范围为30
°
～70
°
。
45.在一些可能的实现方式中，调节后的阵列因子为对应的天线单元的相位分 布状态的值与阵列因子的乘积。
46.作为本公开实施例的第四个方面，本公开实施例提供一种电子设备，包括 本公开任一实施例中的全息天线，还包括波束调控装置，波束调控装置包括：
47.全息相位获取模块，用于根据预设波束和参考波，获得全息图在全息天线 的各天线单元的全息相位，全息图由预设波束和参考波相干涉得到；
48.相位分布状态获取模块，用于根据预设的相位阈值和各天线单元的全息相 位，获得全息图在各天线单元的相位分布状态；
49.调控模块，用于根据各相位分布状态，调控各天线单元的工作状态；
50.远场方向图获取模块，用于控制参考波馈入全息天线，获得全息天线的远 场方向图。
51.在一些可能的实现方式中，波束调控装置还包括：
52.阵列因子调节模块，用于根据全息图在各天线单元的相位分布状态，对阵 列因子进行调节，获得各天线单元对应的调节后的阵列因子。
53.本公开实施例的技术方案，根据预设波束和参考波，获得全息图在天线的 各天线单元的全息相位；根据预设的相位阈值和各天线单元的全息相位，获得 全息图在各天线单元的相位分布状态；根据各相位分布状态，调控各天线单元 的工作状态；控制参考波馈入全息天线，获得全息天线的远场方向图。该波束 调控方法，采用全息算法，根据全息图在各天线单元的相位分布状态，在二维 平面对各天线单元的工作状态进行调控，从而，当参考波馈入该全息天线时， 可以通过调控各天线单元的工作状态，获得全息天线的远场方向图，实现对目 标指向的调控，规避了栅瓣影响，减小了算法处理的难度。
54.上述概述仅仅是为了说明书的目的，并不意图以任何方式进行限制。除上 述描述的示意性的方面、实施方式和特征之外，通过参考附图和以下的详细描 述，本公开进一步的方面、实施方式和特征将会是容易明白的。
附图说明
55.在附图中，除非另外规定，否则贯穿多个附图相同的附图标记表示相同或 相似的部件或元素。这些附图不一定是按照比例绘制的。应该理解，这些附图 仅描绘了根据本公开的一些实施方式，而不应将其视为是对本公开范围的限制。
56.图1a全息图生成过程原理图；
57.图1b为采用全息图实现图像重现的原理图；
58.图2为本公开一实施例中全息天线平面的示意图；
59.图3为本公开一实施例中全息天线的截面结构示意图；
60.图4a为本公开一实施例中形成第一衬底基板的过程示意图；
61.图4b为本公开一实施例中形成第二衬底基板的过程示意图；
62.图4c为本公开一实施例中形成的天线本体的结构示意图；
63.图5为本公开一实施例中全息天线的波束调控方法的示意图；
64.图6a为θ1＝20
°
，φ1＝60
°
的情况下，预设波束的理想指向远场方向图；
65.图6b为θ1＝20
°
，φ1＝60
°
的情况下，目标波束的目标指向远场方向图；
66.图7a为θ1＝20
°
，φ1＝-60
°
的情况下，预设波束的理想指向远场方向图；
67.图7b为θ1＝20
°
，φ1＝-60
°
的情况下，目标波束的目标指向远场方向图；
68.图8a为θ1＝45
°
，φ1＝60
°
的情况下，预设波束的理想指向远场方向图；
69.图8b为θ1＝45
°
，φ1＝60
°
的情况下，目标波束的目标指向远场方向图；
70.图9a为本公开一实施例中的全息图在各天线单元的相位分布状态示意图；
71.图9b为本公开另一实施例中的全息图在各天线单元的相位分布状态示意 图；
72.图10为本公开一实施例中全息天线的波束调控装置的结构框图；
73.图11为本公开实施例中的全息天线应用于基站的示意图；
74.图12a为本公开实施例中的全息天线应用于医学领域的一种示意图；
75.图12b为本公开实施例中的全息天线应用于医学领域的另一种示意图；
76.图13为本公开实施例中的全息天线应用于地球观测的示意图；
77.图14为本公开实施例中的全息天线应用于太阳能传输的示意图；
78.图15为本公开实施例中的全息天线应用于无损安检的示意图。
79.附图标记说明：
80.10、天线本体；100、天线单元；11、第一衬底基板；111、第一衬底；112、 第一电极层；12、第二衬底基板；121、第二衬底；122、第二电极层；123、隔 离柱；13、液晶层；20、波导；30、馈电口。
具体实施方式
81.在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认 识到的那样，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修 改所描述的实施例，不同的实施例在不冲突的情况下可以任意结合。因此，附 图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
82.图2为本公开一实施例中全息天线平面的示意图，图3为本公开一实施例 中全息天线的截面结构示意图。如图2和图3所示，全息天线可以包括天线本 体10、波导20和馈电
口30。其中，天线本体10可以包括相对设置的第一衬底 基板11、第二衬底基板12和液晶层13，液晶层13位于第一衬底基板11和第 二衬底基板12之间，天线本体10包括多个天线单元100。图2中示出了多个 天线单元100的平面排布，例如，多个天线单元100在天线本体10的平面内呈 阵列式排布，图3中示出了一个天线单元100的截面结构。
83.波导20可以位于第一衬底基板11的背离第二衬底基板12的一侧，馈电口 30位于波导20的背离天线本体10的一侧，馈电口30可以位于天线本体10的 中心。从而，电磁波可以通过位于天线本体10的中心位置的馈电口30馈入该 全息天线。
84.在一种实施方式中，如图3所示，第一衬底基板11可以采用玻璃衬底，第 二衬底基板12可以采用玻璃衬底。
85.玻璃具有平坦度较高，散热性能优异、拼接缝微小等优势，因此，本公开 实施例中的全息天线，可以更好地满足单元分布密集、散热要求高的要求，可 以更好地避免在加工中因表面不平坦引起的高次模，可以更好地散出密集单元 工作产生的热量，提高了全息天线的使用寿命和效率。并且，该全息天线还可 以减小因拼接缝导致的损坏和不匹配等。因此，本公开实施例中的全息天线可 以叫做全息超表面天线。
86.在一种实施方式中，多个天线单元100可以呈16*16的阵列，全息天线的 工作频段可以为12ghz，波导20的介电常数可以为4～5，例如，波导20的介 电常数可以为4.5。电磁波在波导20中传输的工作波长可以为λg，相邻两个天 线单元100的间距可以为λg/2。
87.本公开实施例还提供一种全息天线的制备方法，包括：
88.提供天线本体和波导，天线本体包括相对设置的第一衬底基板、第二衬底 基板和液晶层，液晶层位于第一衬底基板和第二衬底基板之间，天线本体包括 多个天线单元；
89.将波导设置在第一衬底基板的背离第二衬底基板的一侧；
90.在波导的背离天线本体的一侧设置馈电口，馈电口位于天线本体的中心。
91.在一种实施方式中，提供天线本体，可以包括：制备第一衬底基板和制备 第二衬底基板。
92.制备第一衬底基板可以包括：采用沉积工艺在第一衬底的一侧形成第一电 极层，沉积功率的范围为90w～110w，氩气速率为34sccm～45sccm。
93.制备第二衬底基板可以包括：采用沉积工艺在第二衬底的一侧形成第二电 极层，沉积功率的范围为90w～110w，氩气速率为34sccm～45sccm；在第二电 极层的背离第二衬底的一侧形成多个隔离柱。
94.将第一衬底基板和第二衬底基板对盒，第一电极层朝向第二衬底基板，第 二电极层朝向第一衬底基板；向第一衬底基板和第二衬底基板之间注入液晶， 来形成液晶层。
95.下面通过本公开一实施例中天线本体的具体制备过程详细说明本公开实施 例的技术方案。可以理解的是，本文中所说的“图案化”，当图案化的材质为无 机材质或金属时，“图案化”包括涂覆光刻胶、掩膜曝光、显影、刻蚀、剥离光 刻胶等工艺，当图案化的材质为有机材质时，“图案化”包括掩模曝光、显影等 工艺，本文中所说的蒸镀、沉积、涂覆、涂布等均是相关技术中成熟的制备工 艺。
96.第一衬底基板的制备过程如下：
97.在第一衬底111的一侧沉积第一电极薄膜112’；在第一电极薄膜112’的背 离第一衬底111的一侧涂覆光刻胶；对光刻胶进行曝光、显影，形成第一光刻 胶图案；以第一光刻
胶图案为掩膜，对第一电极薄膜112’进行刻蚀，并剥离剩 余的光刻胶，形成第一电极层112；在第一衬底基板的朝向第一电极层112的 一侧形成第一配向层(图中未示出)，如图4a所示，图4a为本公开一实施例中 形成第一衬底基板的过程示意图。
98.第二衬底基板的制备过程如下：
99.在第二衬底121的一侧沉积第二电极薄膜122’；在第二电极薄膜122’的背 离第二衬底121的一侧涂覆光刻胶；对光刻胶进行曝光、显影，形成第二光刻 胶图案；以第二光刻胶图案为掩膜，对第二电极薄膜122’进行刻蚀，并剥离剩 余的光刻胶，形成第二电极层122；在第二电极层122的背离第二衬底121的 一侧形成隔离柱123，隔离柱123的数量和间距可以根据需要设置；在第二衬 底基板的朝向隔离柱123的一侧形成第二配向层(图中未示出)，第二配向层的 材质可以为聚酰亚胺(pi)，如图4b所示，图4b为本公开一实施例中形成第二 衬底基板的过程示意图。
100.将第一衬底基板11和第二衬底基板12对盒，第一电极层112朝向第二衬 底基板12，第二电极层122朝向第一衬底基板11，并采用封框胶将第一衬底基 板11和第二衬底基板12粘结。
101.向第一衬底基板11和第二衬底基板12之间注入液晶，来形成液晶层13。 对液晶层13进行紫外线固化后，得到天线本体，如图4c所示，图4c为本公开 一实施例中形成的天线本体的结构示意图。
102.示例性地，第一电极层112的材质可以为铜，可以通过梯度变量控制，对 铜金属的沉积速率进行控制。沉积第一电极薄膜的沉积功率的范围可以为 90w～110w，例如第一电极薄膜的沉积功率可以为100w，并且在沉积过程中， 沉积功率可以保持不变。沉积过程中，氩气的速率可以为34sccm～45sccm，例 如，氩气的速率可以为40sccm。在沉积功率和氩气的速率保持不变的情况下， 可以通过改变沉积时间来获得不同厚度的第一电极薄膜，进而获得不同厚度的 第一电极层112。
103.示例性地，第二电极层122的材质可以为铜，可以通过梯度变量控制，对 铜金属的沉积速率进行控制。沉积第二电极薄膜的沉积功率的范围可以为 90w～110w，例如第二电极薄膜的沉积功率可以为100w，并且在沉积过程中， 沉积功率可以保持不变。沉积过程中，氩气的速率可以为34sccm～45sccm，例 如，氩气的速率可以为40sccm。在沉积功率和氩气的速率保持不变的情况下， 可以通过改变沉积时间来获得不同厚度的第二电极薄膜，进而获得不同厚度的 第二电极层122。
104.经实验验证，在沉积铜金属时，在沉积功率为100w、氩气的速率为40的 情况下，沉积时间为5400分钟，可以有效沉积2μm的厚度铜金属薄膜。沉积 工艺可以采用溅射沉积。采用沉积工艺对天线本体的表面阵列单元的厚度进行 精准控制，避免高次模。
105.图5为本公开一实施例中全息天线的波束调控方法的示意图。在一种实施 方式中，采用本公开任一实施例中的全息天线。全息天线的波束调控方法可以 包括：
106.s11、根据预设波束和参考波，获得全息图在天线的各天线单元的全息相位， 全息图由预设波束和参考波相干涉得到；
107.s12、根据预设的相位阈值和各天线单元的全息相位，获得全息图在各天线 单元的相位分布状态；
108.s13、根据各天线单元的相位分布状态，调控各天线单元的工作状态；
109.s14、控制参考波馈入全息天线，获得全息天线的远场方向图。
110.示例性地，图2中示出了全息天线的远场方向图，远场方向图可以反映目 标指向，图2中的远场方向图中的主瓣指示的方向即反映了远场方向图的目标 指向。
111.示例性地，采用本公开实施例的波束调控方法，可以设定全息天线的工作 频率，例如可以设定全息天线的工作频率为12ghz，可以设置波导的介电常数 为4.5，电磁波在波导中传输时的工作波长可以为λ。
112.可以根据需要设置预设波束，可以根据期望得到的目标波束来设置预设波 束，预设波束位于三维空间中。预设波束可以包括第一指向角度θ1和第二指向 角度φ1。第一指向角度θ1可以为预设波束的俯仰角，即预设波束的中心轴与 z轴的角度。第二指向角度φ1可以为预设波束的方位角，即预设波束的中心轴 在xy平面上的投影与x轴的角度。预设波束的第一指向角度θ1和第二指向角 度φ1，可以根据需要设置。示例性地，可以设定第一指向角度θ1为20
°
，第 二指向角度φ1为60
°
。
113.相关技术中，基于全息原理的全息天线主要基于一维和静态，或者通过一 维并排技术实现等效二维效果的指向，这些方法存在栅瓣影响，并且一维子波 束之间的合成需要引入额外的算法处理和算法优化，增大了算法处理难度，并 且指向效果欠佳。
114.本公开实施例的波束调控方法，根据预设波束和参考波，获得全息图在天 线的各天线单元的全息相位；根据预设的相位阈值和各天线单元的全息相位， 获得全息图在各天线单元的相位分布状态；根据各相位分布状态，调控各天线 单元的工作状态；控制参考波馈入全息天线，获得全息天线的远场方向图。该 波束调控方法，采用全息算法，根据全息图在各天线单元的相位分布状态，在 二维平面对各天线单元的工作状态进行调控，从而，当参考波馈入该全息天线 时，可以通过调控各天线单元的工作状态，获得调控后的全息天线的远场方向 图，实现对目标指向的调控，规避了栅瓣影响，减小了算法处理的难度。
115.在一种实施方式中，根据预设波束和参考波，获得全息图在全息天线的各 天线单元的全息相位，示例性地，可以采用波束干涉的算法获得全息图在全息 天线的各天线单元的全息相位。该步骤可以包括：根据预设波束，确定预设波 束在各天线单元的第一相位；根据参考波，确定参考波在各天线单元的第二相 位；根据各天线单元的第一相位和第二相位，确定全息图在各天线单元的全息 相位。
116.示例性地，设定出预设波束的第一指向角度θ和第二指向角度φ后，将预 设波束在全息天线上进行反向投影，便可以确定出预设波束在各天线单元的第 一相位。
117.示例性地，全息天线的馈电口位于中心位置，参考波从全息天线的中心馈 入时，馈电到介质层中的场h
ref
可以由hankel函数计算，参考波满足表达式 (1)：
[0118][0119]
其中，φ为参考波的俯仰角，kg＝2π/λ，λ为电磁波在全息天线的波导中传输 时的工作波长。
[0120]
根据参考波的表达式，可以确定出参考波在各天线单元的第二相位。
[0121]
根据各天线单元的第一相位和第二相位，便可以确定出全息图在各天线单 元的全息相位。示例性地，可以将各天线单元的第一相位和第二相位之和，确 定为全息图在各
天线单元的全息相位。
[0122]
在另一种实施方式中，可以根据预设波束和参考波，获得全息图在全息天 线上的函数表达式；根据全息图在全息天线上的函数表达式，确定全息图在全 息天线的各天线单元的全息相位。
[0123]
在一种实施方式中，根据预设波束，确定预设波束在各天线单元的第一相 位，可以包括：以天线的中心为原点，确定各天线单元的位置坐标(x
l
，y
l
)；根 据各天线单元的位置坐标、第一指向角度和第二指向角度，确定预设波束在各 天线单元的第一相位。
[0124]
示例性地，参考波自全息天线的中心馈入，因此，可以以全息天线的中心 为二维坐标的原点，并根据各天线单元的尺寸和间距，确定各天线单元的位置 坐标(x
l
，y
l
)。根据天线单元的位置坐标、第一指向角度θ和第二指向角度φ 后，将预设波束向全息天线表面投影，便可以确定出预设波束在天线单元的第 一相位。
[0125]
示例性地，可以预设波束在各天线单元的第一相位满足表达式(2)：
[0126]
phase1＝k
1 x
l sin(θ1)cos(φ1)+k
1 y
l sin(θ1)sin(φ1)，
ꢀꢀꢀ
表达式(2)
[0127]
其中，phase1表示第一相位，θ1为第一指向角度，φ1为第二指向角度，k1为预设波束的传播常数，k1＝2π/λ1，λ1为预设波束的波长。
[0128]
在一种实施方式中，根据相位阈值和各天线单元的全息相位，获得全息图 在各天线单元的相位分布状态，包括：将各天线单元的全息相位与相位阈值进 行比较。在全息相位小于或等于相位阈值的情况下，将对应的天线单元的相位 分布状态的值确定为1；在全息相位大于相位阈值的情况下，将对应的天线单 元的相位分布状态的值确定为0。
[0129]
在本实施例中，将全息图在各天线单元的相位分布状态设定为两种状态， 分别为1和0，在天线单元的相位分布状态的值为1时，该天线单元为打开状 态，经过该天线单元的能量可以辐射出去。在天线单元的相位分布状态的值为 0时，该天线单元为关闭状态，经过该天线单元的能量无法辐射出去。
[0130]
本公开实施例中，将天线单元的全息相位与相位阈值进行比较，来确定该 天线单元的相位分布状态，对于全息相位小于或等于相位阈值的天线单元，打 开该天线单元，使得能量可以通过该天线单元辐射出去；对于全息相位大于相 位阈值的天线单元，关闭该天线单元，使得该天线单元无法辐射能量。这样的 方式，减小了计算量，并且可以将小于等于相位阈值的波束的能量集中辐射出 去，摒弃大于相位阈值的波束的能量，可以使得最终获得的远场方向图能量更 集中。
[0131]
在另一种实施方式中，根据相位阈值和各天线单元的全息相位，可以采用 其它方式来确定全息图在各天线单元的相位分布状态。例如，可以获得相位阈 值和天线单元的全息相位二者的差值与相位阈值的比值，通过该比值确定全息 图在各天线单元的相位分布状态。从而，全息图在各天线单元的相位分布状态 的值不再仅限于0和1，可以有更多值，可以更好地调控通过天线单元辐射出 的能量。
[0132]
在一种实施方式中，相位阈值的取值范围可以为30
°
～70
°
(包括端点值)， 也就是说，相位阈值可以为30
°
～70
°
中的任意值。例如，相位阈值可以为30
°
、 45
°
、55
°
、65
°
或70
°
。将相位阈值的取值范围设定为30
°
～70
°
，可以保 证最终获得的远场方向图的指向准确度，并且使得副瓣能量较低。
[0133]
在一种实施方式中，根据各相位分布状态，调控各天线单元的工作状态， 可以包
括：设置外部的控制电路，该控制电路可以与全息天线连接，通过该控 制电路调控各天线单元对应的第一电极和第二电极形成的电场，进而控制天线 单元的液晶偏转角度，实现对天线单元的工作状态的调控。
[0134]
对于相位分布状态的值为0或1的情况，外部的控制电路可以为fpga数 字电路，通过fpga数字信号控制天线单元为打开或关闭状态。
[0135]
在一种实施方式中，波束调控方法还可以包括：s14、根据全息图在各天线 单元的相位分布状态，对阵列因子进行调节，获得各天线单元对应的调节后的 阵列因子。
[0136]
本实施例中，可以获得调控后的全息天线的远场方向图，远场方向图可以 反映目标指向和能量强度分布，根据调节后的阵列因子，可以获得对应的天线 单元的辐射能量。
[0137]
需要说明的是，阵列因子可以表征天线单元的辐射能量。本公开实施例中， 根据调节后的阵列因子可以获得对应天线单元的辐射能量，使得各天线单元的 辐射能量与相位状态相匹配。
[0138]
在一种实施方式中，调节后的阵列因子为对应的天线单元的相位状态的值 与阵列因子的乘积。
[0139]
示例性地，在全息原理中，2d阵列因子可以表示为表达式(3)：
[0140][0141]
其中，θ0和φ0为每个天线单元与预设波束的空间指向点之间的空间角度， 可以定义为各天线单元的中心点与预设波束的空间指向点之间的连线的空间角 度，θ0为天线单元的中心点与预设波束的空间指向点之间的连线的俯仰角， φ0为天线单元的中心点与预设波束的空间指向点之间的连线的方位角。
[0142]
c是复电压，可以表示为：
[0143][0144]
将阵列重新排布为a和b，替代原来的c场，得到：
[0145][0146]
总的2d阵列方向图为：
[0147][0148]
调节后的阵列因子为af’，则af’＝m*af，其中，m表示天线单元的相位 分布状态的值。
[0149]
采用本公开实施例的波束调控方法，可以实现对全息天线的各天线单元的 工作状态和相位分布的调节，通过中心馈电方式，可以获得调控后的全息天线 的远场方向图，远场方向图可以反映目标指向和能量强度分布。
[0150]
在一个实施例中，可以设定全息天线的工作频率为12ghz，波导的介电常 数为
4.5，电磁波在波导中传输时的工作波长可以为λ。相邻天线单元之间的间 距为λ/2。全息图在各天线单元的相位分布状态为1或0。对该全息天线进行波 束调控仿真分析，仿真结果如图6a、图6b、图7a、图7b、图8a和图8b，其 中，图6a为θ1＝20
°
，φ1＝60
°
的情况下，预设波束的理想指向远场方向图； 图6b为θ1＝20
°
，φ1＝60
°
的情况下，目标波束的目标指向远场方向图；图7a 为θ1＝20
°
，φ1＝-60
°
的情况下，预设波束的理想指向远场方向图；图7b为 θ1＝20
°
，φ1＝-60
°
的情况下，目标波束的目标指向远场方向图；图8a为 θ1＝45
°
，φ1＝60
°
的情况下，预设波束的理想指向远场方向图；图8b为 θ1＝45
°
，φ1＝60
°
的情况下，目标波束的目标指向远场方向图。通过分别对比 图6a和图6b、图7a和图7b、图8a和图8b，可以发现目标波束的目标指向远 场方向图与预设波束的理想指向远场方向图可以较好的匹配，这也就说明获得 的目标波束的远场方向图与预设波束的远场方向图相差不大，完全符合要求， 证明了本公开实施例中波束调控方法的可行性。
[0151]
图9a为本公开一实施例中的全息图在各天线单元的相位分布状态示意图； 图9b为本公开另一实施例中的全息图在各天线单元的相位分布状态示意图。图 9a中，预设波束的第一指向角度θ1为20
°
，第二指向角度φ1为60
°
；图9b 中，预设波束的第一指向角度θ1为20
°
，第二指向角度φ1为-60
°
。图9a和 图9b中的相位阈值为50
°
。图9a和图9b中，每个格子相当于一个天线单元， 当天线单元的全息相位小于或等于相位阈值时，通过该天线单元的波可以进行 有效辐射，当天线单元的全息相位大于相位阈值时，通过该天线单元的波不会 进行远场辐射。图9a和图9b中，白色块表示天线单元为打开状态，黑色块表 示天线单元为关闭状态。
[0152]
图10为本公开一实施例中波束调控装置的结构框图。本公开实施例还提供 一种电子设备，包括本公开任一实施例中的全息天线，还包括波束调控装置， 如图10所示，波束调控装置可以包括：
[0153]
全息相位获取模块101，用于根据预设波束和参考波，获得全息图在全息 天线的各天线单元的全息相位，全息图由预设波束和参考波相干涉得到；
[0154]
相位分布状态获取模块102，用于根据预设的相位阈值和各天线单元的全 息相位，获得全息图在各天线单元的相位分布状态；
[0155]
调控模块103，用于根据各相位分布状态，调控各天线单元的工作状态；
[0156]
远场方向图获取模块104，用于控制参考波馈入全息天线，获得全息天线 的远场方向图。
[0157]
在一种实施方式中，如图10所示波束调控装置还可以包括：阵列因子调节 模块，用于根据全息图在各天线单元的相位分布状态，对阵列因子进行调节， 获得各天线单元对应的调节后的阵列因子。
[0158]
全息天线的应用越来越广泛，以下举例说明全息天线的应用场景。
[0159]
图11为本公开实施例中的全息天线应用于基站的示意图。随着5g和毫米 波通信的广泛应用，架设的基站天线数量会越来越多，但传统的方法会增大基 站对能源的消耗和本身的制造成本，需要对基站的小型化和轻量化提出更高要 求，全息天线具有低成本和轻量化的优势，用于基站天线会有更突出的优势， 为基站架构减轻了负载重量，降低了基站架设的成本，同时具有动态可调的波 束，可实现广泛和精确的信号指向。采取结构简单的全息天线应用于基站天线 的波束定向中会极大缓解当前的困境。如图11所示，由服务器或
核心网出来的 电磁波信号往外输送时需要经过基站进行中继调节，经过基站处理调节后的信 号再送到城镇或农村的终端用户。而由于基站需要同时对多用户的覆盖和接受 响应，所以需要多波束工作，负荷较高。采用本公开实施例中的全息天线可较 好的实现基站多信号处理需求，同时减小基站能耗及负载重量。
[0160]
图12a为本公开实施例中的全息天线应用于医学领域的一种示意图，图12b 为本公开实施例中的全息天线应用于医学领域的另一种示意图。医学临床的信 号监测的应用可以包括临床睡眠监测、医学跌倒监测、无线传感、血压监测等。 但是目前的监测仪器设备结构太复杂，不能实现小型化和简便化，为临床应用 带来潜在的危险。本公开实施例中的全息天线，可以应用在临床医学监测领域， 达到实时精确监测病人体征状况，并减少设备放置带来的二次伤害，更实现了 医疗物资的成本节约。如将全息天线制造成穿戴设备，为病人佩戴在身体部位 可实现对摔倒信号监测，其示意图如图12a所示；将轻巧可共形的全息天线设 计为腕表的形状，佩戴在监护对象的手腕，可实现对其心跳脉搏等体征数据的 实时监测，结合气体传感器等可同时采集呼吸气体采集分析，并实时进行健康 管理的信号推送，其示意图如图12b所示。
[0161]
图13为本公开实施例中的全息天线应用于地球观测的示意图。二维全息超 表面天线应用于地球观测卫星。将卫星的天线替换为波束可调的全息超表面天 线，可实现信号的动态传输，也可减小对地面接收天线的动态特性要求，同时， 对于一些地面静态的天线，可通过卫星波束的辐射方向调节实现信号传递，可 缓解既有天线的不足，节省一定的天线设施架构成本，实现资源利用效率的提 升。此外，对于发生自然灾害的特殊情况，地面通信设施遭到破坏，如基站、 铁塔等，可以通过地面设备自带的轻巧型超表面天线发送电磁信号给卫星，然 后获取地面其他对象的信号搜索和定位等。因为轻巧、便携、效率高和便于安 装等优势，二维超表面全息天线可在应急通讯等领域有较大的应用潜力。示意 图如图13所示。
[0162]
图14为本公开实施例中的全息天线应用于太阳能传输的示意图。二维全息 超表面天线应用于微波能量传输技术，将太空大型太阳能电池板收集的太阳能 通过光-电转换装置进行光能转换，然后经全息天线转换为微波能量辐射至地球 表面的天线接收装置，经过转换为电能等为地球供电，可实现零污染的能源收 集利用。并且采用本公开实施例中的波束调控方法对天线波束进行动态调控， 可实现对太阳光的持续追踪捕捉，达到常年24小时不间断的供能，尤其对于气 候艰苦、常年日晒时间很少的地区，也可满足在雨季较多的时节，同时其轻巧 的特性不会对星载造成影响，因此具有巨大的应用潜力。
[0163]
图15为本公开实施例中的全息天线应用于无损安检的示意图。当下公共安 全面临的一个难题是如何对公共场所携带隐藏武器的恐怖分子进行快速检测和 预警，现有常规技术如可见光拍摄、x射线成像、远红外成像、金属探测等手 段已经不能有效辨别。而毫米波检测是新兴一种高效检测手段，其穿透性好且 分辨率较高，不会对人体造成伤害，对危险物品的识别能力极高。主要是通过 单一的照射源，然后经由平面阵列天线接收散射回波信号，分辨率可达毫米级。 采用超表面天线作为散射检测信号接收装置具有精确的成像能力和快速的响应 能力，可实现对过安检人员全身异物的精确搜索，同时快速响应不会造成检测 损伤等，对安检场合有巨大的应用潜力。
[0164]
在本说明书的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长 度”、“宽
度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、
ꢀ“
顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指 示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本 公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、 以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。
[0165]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对 重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的 特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。在本公开的描述中，“多个
”ꢀ
的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0166]
在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、
ꢀ“
固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或 成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连， 也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互 作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语 在本公开中的具体含义。
[0167]
在本公开中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或 之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直 接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、
ꢀ“
上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特 征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第 一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特 征。
[0168]
上文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本公开的不同结构。 为了简化本公开，上文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅 为示例，并且目的不在于限制本公开。此外，本公开可以在不同例子中重复参 考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨 论各种实施方式和/或设置之间的关系。
[0169]
以上，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到其各 种变化或替换，这些都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护 范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种全息天线，其特征在于，包括：天线本体，包括相对设置的第一衬底基板、第二衬底基板和液晶层，所述液晶层位于所述第一衬底基板和所述第二衬底基板之间，所述天线本体包括多个天线单元；波导，位于所述第一衬底基板的背离所述第二衬底基板的一侧；馈电口，位于所述波导的背离所述天线本体的一侧，所述馈电口位于所述天线本体的中心。2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述第一衬底基板采用玻璃衬底，所述第二衬底基板采用玻璃衬底。3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述波导的介电常数的范围为4～5。4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，电磁波在所述波导中传输的工作波长为λ
g
，相邻两个所述天线单元的间距为λ
g
/2。5.一种全息天线的制备方法，其特征在于，包括：提供天线本体和波导，所述天线本体包括相对设置的第一衬底基板、第二衬底基板和液晶层，所述液晶层位于所述第一衬底基板和所述第二衬底基板之间，所述天线本体包括多个天线单元；将所述波导设置在所述第一衬底基板的背离所述第二衬底基板的一侧；在所述波导的背离所述天线本体的一侧设置馈电口，所述馈电口位于所述天线本体的中心。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，提供天线本体，包括：制备所述第一衬底基板，包括：采用沉积工艺在第一衬底的一侧形成第一电极层，沉积功率的范围为90w～110w，氩气速率为34sccm～45sccm；制备所述第二衬底基板，包括：采用沉积工艺在第二衬底的一侧形成第二电极层，沉积功率的范围为90w～110w，氩气速率为34sccm～45sccm；在所述第二电极层的背离所述第二衬底的一侧形成多个隔离柱；将所述第一衬底基板和所述第二衬底基板对盒，所述第一电极层朝向所述第二衬底基板，所述第二电极层朝向所述第一衬底基板；向所述第一衬底基板和所述第二衬底基板之间注入液晶，形成液晶层。7.一种全息天线的波束调控方法，其特征在于，应用于权利要求1-4中任一项所述的全息天线，所述方法包括：根据预设波束和参考波，获得全息图在所述全息天线的各天线单元的全息相位，所述全息图由所述预设波束和所述参考波相干涉得到；根据预设的相位阈值和各所述天线单元的全息相位，获得所述全息图在各所述天线单元的相位分布状态；根据各所述天线单元的相位分布状态，调控各所述天线单元的工作状态；控制所述参考波馈入所述全息天线，获得所述全息天线的远场方向图。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：根据所述全息图在各所述天线单元的相位分布状态，对阵列因子进行调节，获得各所述天线单元对应的调节后的阵列因子。9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，根据预设波束和参考波，获得全息图在所
述全息天线的各天线单元的全息相位，包括：根据所述预设波束，确定所述预设波束在各所述天线单元的第一相位；根据所述参考波，确定所述参考波在各所述天线单元的第二相位；根据各所述天线单元的所述第一相位和所述第二相位，确定所述全息图在各所述天线单元的全息相位。10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述预设波束包括第一指向角度和第二指向角度，根据所述预设波束，确定所述预设波束在各所述天线单元的第一相位，包括：以所述全息天线的中心为原点，确定各所述天线单元的位置坐标(x
i
，y
i
)；根据各所述天线单元的位置坐标、所述第一指向角度和所述第二指向角度，确定所述预设波束在各所述天线单元的第一相位。11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，各所述天线单元的第一相位满足以下表达式：phase1＝k1x
l
sin(θ1)cos(φ1)+k1y
l
sin(θ1)sin(φ1)，其中，phase1表示第一相位，θ1为所述第一指向角度，φ1为所述第二指向角度，k1为预设波束的传播常数，k1＝2π/λ1，λ1为预设波束的波长。12.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，根据相位阈值和各所述天线单元的全息相位，获得所述全息图在各所述天线单元的相位分布状态，包括：将各所述天线单元的全息相位与所述相位阈值进行比较，在所述全息相位小于或等于所述相位阈值的情况下，将对应的所述天线单元的相位分布状态的值确定为1；在所述全息相位大于所述相位阈值的情况下，将对应的所述天线单元的相位分布状态的值确定为0。13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述相位阈值的取值范围为30
°
～70
°
。14.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述调节后的阵列因子为对应的所述天线单元的相位分布状态的值与所述阵列因子的乘积。15.一种电子设备，包括权利要求1-4中任一项所述的全息天线，还包括波束调控装置，所述波束调控装置包括：全息相位获取模块，用于根据预设波束和参考波，获得全息图在所述全息天线的各天线单元的全息相位，所述全息图由所述预设波束和所述参考波相干涉得到；相位分布状态获取模块，用于根据预设的相位阈值和各所述天线单元的全息相位，获得所述全息图在各所述天线单元的相位分布状态；调控模块，用于根据各所述相位分布状态，调控各所述天线单元的工作状态；远场方向图获取模块，用于控制所述参考波馈入所述全息天线，获得所述全息天线的远场方向图。16.根据权利要求15所述的电子设备，其特征在于，所述波束调控装置还包括：阵列因子调节模块，用于根据所述全息图在各所述天线单元的相位分布状态，对阵列因子进行调节，获得各所述天线单元对应的调节后的阵列因子。

技术总结
本公开实施例提供一种全息天线及其制备方法、全息天线的波束调控方法。全息天线的波束调控方法包括：根据预设波束和参考波，获得全息图在全息天线的各天线单元的全息相位，全息图由预设波束和参考波相干涉得到；根据预设的相位阈值和各天线单元的全息相位，获得全息图在各天线单元的相位分布状态；根据各天线单元的相位分布状态，调控各天线单元的工作状态；控制参考波馈入全息天线，获得全息天线的远场方向图。本公开的技术方案，当参考波馈入该全息天线时，可以通过调控各天线单元的工作状态，获得全息天线的远场方向图，实现对目标指向的调控，规避了栅瓣影响，减小了算法处理的难度。的难度。的难度。


技术研发人员：陈少棚 周健 曲峰
受保护的技术使用者：京东方科技集团股份有限公司
技术研发日：2022.03.16
技术公布日：2023/9/22