超薄轨道角动量螺旋相位板天线及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种超薄轨道角动量螺旋相位板天线，该天线由若干螺旋相位板天线单元进行横向和竖向排列组合而成，每个螺旋相位板天线单元由上下两个天线子单元堆叠而成，每个天线子子单元包括第一介质基板和第二介质基板，第一介质基板的上表面和第二介质基板的下表面上都设有金属缝隙结构，第一介质基板的下表面和第二介质基板的上表面之间设有光子带隙结构。另外，本发明专利技术还公开了一种超薄轨道角动量螺旋相位板天线的设计方法。本发明专利技术能在最小化厚度的同时保持天线良好的性能，且灵活方便，避开了普通螺旋相位板天线厚度大，结构笨重的缺点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及天线
，尤其涉及一种超薄轨道角动量螺旋相位板天线及其设计方法。
技术介绍
快速发展的现代通信系统在给人们的生活带来了更多的便利的同时，也因为频谱资源日趋紧张面临着严峻的挑战。如何更合理的利用频谱资源，提高频谱利用率和编码效率，成为当今无线通信领域的一个研究热点。不同阶数的OAM波束之间相互正交，这一特性允许OAM波束沿着轴向复用和解复用。因此，可以建立一个完备的视距传输链路，在同一频带下每一个OAM波束可以携带一组数据，从而通信容量和频谱利用率增大为原来的N倍，N为链路中使用的OAM状态数。螺旋相位板天线是一种产生携带轨道角动量的电磁波波束的常见方法，在微波、毫米波和光波段都得到了广泛的应用。迄今为止，已有多种基于不同原理的旋转相位板被报道，其中包括平滑螺旋相位板和阶梯螺旋相位板，这种结构是通过控制介质的厚度来改变透射波的相位，从而实现对相位的调制来产生涡旋波束；钻孔平板旋转相位板是通过在介质板上钻孔，改变局部的等效介电常数，从而控制不同位置的相位延迟来产生涡旋波束；光频段的超表面是通过旋转排布不同的型天线来产生旋转相位；尽管这些结构的原理不尽相同，但都是对入射波束的相位进行空间调制产生涡旋波束，让透射波束携带有轨道角动量。然而上述螺旋相位板的厚度通常要大于半波长，因此结构在微波段过于笨重，不利于实际应用。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术针对现有技术存在的问题，提供一种超薄轨道角动量螺旋相位板天线及其设计方法，该天线能在最小化厚度的同时保持天线良好的性能，且灵活方便，避开了普通螺旋相位板天线厚度大，结构笨重的缺点。技术方案：本专利技术所述的超薄轨道角动量螺旋相位板天线，由若干螺旋相位板天线单元进行横向和竖向排列组合而成，每个螺旋相位板天线单元由上下两个天线子单元堆叠而成，每个天线子子单元包括第一介质基板和第二介质基板，第一介质基板的上表面和第二介质基板的下表面上都设有金属缝隙结构，第一介质基板的下表面和第二介质基板的上表面之间设有光子带隙结构。进一步的，所述金属缝隙结构具体为方形。进一步的，所述螺旋相位板天线单元的补偿相位由其所在的位置决定，具体关系式为：式中，x、y分别为螺旋相位板天线单元的横坐标和纵坐标，l为轨道角动量的阶数，λ为自由空间波长，f为焦距。进一步的，所述金属缝隙结构的长度由螺旋相位板天线单元的补偿相位决定，具体关系式为：Dx＝4‐1.1*cos(Phi*0.012)-0.6*sin(Phi*0.012)式中，Dx为金属缝隙结构长度，Phi为螺旋相位板天线单元的补偿相位。进一步的，所述光子带隙结构的尺寸由金属缝隙结构的长度决定，具体关系式为： W C = 0.4 * D x + 3.2 L L = 0.2 * D x + 1.2 ]]>式中，WC、LL分别为光子带隙结构的宽度和长度，Dx为金属缝隙结构长度。本专利技术所述的超薄轨道角动量螺旋相位板天线的设计方法，包括步骤：S1、使用电磁仿真软件仿真天线子单元，其中，所述天线子单元包括第一介质基板和第二介质基板，第一介质基板的上表面和第二介质基板的下表面上都设有金属缝隙结构，第一介质基板的下表面和第二介质基板的上表面之间设有光子带隙结构；S2、通过对螺旋相位板天线单元参数扫描，得到光子带隙结构尺寸与金属缝隙结构长度之间的关系式F1，再根据该关系式F1调整光子带隙结构尺寸，从而在给定的频带内得到平坦的透射幅度和最大的相位变化；S3、将两个天线子单元堆叠在一起形成螺旋相位板天线单元，并通过曲线拟合得到螺旋相位板天线单元的传输相位与金属缝隙结构长度之间的关系式F2；S4、将若干个对螺旋相位板天线单元进行横向和竖向排列组合，形成螺旋相位板天线；S5、根据每个螺旋相位板天线单元的位置计算得到其对应的补偿相位，并将补偿相位作为关系式F2的传输相位，计算得到对应的金属缝隙结构长度；S6、根据计算得到的金属缝隙结构长度采用关系式F1计算得到光子带隙结构尺寸；S7、按照计算得到的每个螺旋相位板天线单元的金属缝隙结构长度和光子带隙结构尺寸进行设计，得到最终的螺旋相位板天线。进一步的，所述金属缝隙结构具体为方形。进一步的，所述关系式F1具体为：WC＝0.4*Dx+3.2LL＝0.2*Dx+1.2式中，WC、LL分别为光子带隙结构的宽度和长度，Dx为金属缝隙结构长度。进一步的，所述关系式F2具体为：Dx＝4‐1.1*cos(Phi*0.012)-0.6*sin(Phi*0.012)式中，Dx为金属缝隙结构长度，Phi为螺旋相位板天线单元的传输相位。进一步的，每个螺旋相位板天线单元的补偿相位根据以下公式计算得到：式中，x、y分别为螺旋相位板天线单元的横坐标和纵坐标，l为轨道角动量的阶数，λ为自由空间波长，f为焦距。有益效果：本专利技术与现有技术相比，其显著优点是：本专利技术提出了一种超薄轨道角动量螺旋相位板天线，该天线是基于传输阵列技术设计的，由多个单元构成，通过调整金属缝隙的长度实现对波束相位的精确调控，不同位置的入射波相位不同，对应调控的单尺寸就不同，而且本专利技术首次在螺旋相位板天线设计中引入超薄结构，厚度仅为自由空间波长的十五分之一，厚度小至2mm，并且能够在实现360°相移的同时保持相当小传输损耗，在理论和工程中可广泛应用。附图说明图1是本实施例的结构示意图；图2是图1中螺旋相位板天线单元的结构示意图；图3是单元传输幅度和相位随Dx变化曲线图；图4是螺旋相位板天线远场辐射方向图。具体实施方式如图1所示，本实施例的超薄轨道角动量螺旋相位板天线由若干螺旋相位板天线单元进行横向和竖向按照准周期方式排列而成，图中，一个方格为一个单元。如图2所示，每个螺旋相位板天线单元由上下两个天线子单元堆叠而成，每个天线子子单元包括第一介质基板和第二介质基板，第一介质基板的上表面和第二介质基板的下表面上都设有金属缝隙结构，具体为方形，第一介质基板的下表面和第二介质基板的上表面之间设有光子带隙结构。其中，螺旋相位板天线单元的补偿相位由其所在的位置决定，具体关系式为：式中，x、y分别为螺旋相位板天线单元的横坐标和纵坐标，l为轨道角动量的阶数，λ为自由空间波长，f为焦距。其中，金属缝隙结构的长度由螺旋相位板天线单元的补偿相位决定，具体关系式为：Dx＝4‐1.1*cos(Phi*0.012)-0.6*sin(Phi*0.012)式中，Dx为金属缝隙结构长度，Phi为螺旋相位板天线单元的补偿相位。其中，光子带隙结构的尺寸由金属缝隙结构的长度决定，具体关系式为： 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超薄轨道角动量螺旋相位板天线，其特征在于：该天线由若干螺旋相位板天线单元进行横向和竖向排列组合而成，每个螺旋相位板天线单元由上下两个天线子单元堆叠而成，每个天线子子单元包括第一介质基板和第二介质基板，第一介质基板的上表面和第二介质基板的下表面上都设有金属缝隙结构，第一介质基板的下表面和第二介质基板的上表面之间设有光子带隙结构。

【技术特征摘要】
1.一种超薄轨道角动量螺旋相位板天线，其特征在于：该天线由若干螺旋相位板天线单元进行横向和竖向排列组合而成，每个螺旋相位板天线单元由上下两个天线子单元堆叠而成，每个天线子子单元包括第一介质基板和第二介质基板，第一介质基板的上表面和第二介质基板的下表面上都设有金属缝隙结构，第一介质基板的下表面和第二介质基板的上表面之间设有光子带隙结构。2.根据权利要求1所述的超薄轨道角动量螺旋相位板天线，其特征在于：所述金属缝隙结构具体为方形。3.根据权利要求1所述的超薄轨道角动量螺旋相位板天线，其特征在于：所述螺旋相位板天线单元的补偿相位由其所在的位置决定，具体关系式为：式中，x、y分别为螺旋相位板天线单元的横坐标和纵坐标，l为轨道角动量的阶数，λ为自由空间波长，f为焦距。4.根据权利要求1所述的超薄轨道角动量螺旋相位板天线，其特征在于：所述金属缝隙结构的长度由螺旋相位板天线单元的补偿相位决定，具体关系式为：Dx＝4‐1.1*cos(Phi*0.012)-0.6*sin(Phi*0.012)式中，Dx为金属缝隙结构长度，Phi为螺旋相位板天线单元的补偿相位。5.根据权利要求1所述的超薄轨道角动量螺旋相位板天线，其特征在于：所述光子带隙结构的尺寸由金属缝隙结构的长度决定，具体关系式为： W C = 0.4 * D x + 3.2 L L = 0.2 * D x + 1.2 ]]>式中，WC、LL分别为光子带隙结构的宽度和长度，Dx为金属缝隙结构长度。6.一种超薄轨道角动量螺旋相位板天线的设计方法，其特征在于：包...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔铁军，师传波，李允博，吴伟，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32