一种反射性好的超表面轨道角动量阵列天线制造技术

本发明专利技术公开了一种反射性好的超表面轨道角动量阵列天线，该阵列天线由两个以上移相单元排列组成的阵列相位板；所述移相单元包括介电层，介电层的表面设有呈方形环状的金属贴片；所述介电层的底部设有金属接地层；所述的阵列相位板按顺时针划分有第一象限、第二象限、第三象限、第四象限、第五象限、第六象限、第七象限和第八象限，每个象限内金属贴片的表面积相同，且第一象限至第八象限中移相单元上的金属贴片的表面积依次减小。本发明专利技术具有非常优越的入射波反射涡旋效果，反射效率可以达到70％以上，并且具有很好的能量传输效率；此外本发明专利技术结构简单，移相单元的单位面积利用率高，而且具有制造工艺简单、成本低廉的优点。

A Supersurface Orbital Angular Momentum Array Antenna with Good Reflectivity

【技术实现步骤摘要】
一种反射性好的超表面轨道角动量阵列天线
本专利技术涉及一种反射性好的超表面轨道角动量阵列天线，属于通信领域。
技术介绍
电磁波的角动量包含自旋角动量和轨道角动量。轨道角动量(OAM)作为物理学一个重要物理量，自1992年被Allen等人证实后迅速推动了非线性光学、量子光学、原子光学和天文学等多个学科的新发展。与自旋角动量不同，轨道角动量与螺旋形相位波前联系在一起，理论上可取值无穷且彼此正交。携带轨道角动量的电磁波与普通平面波不同，它的波束中心强度为零，相位波前呈现螺旋状的特性，也被称为涡旋电磁波。涡旋电磁波以模态数m来表示其相位波前的旋转程度，理论上涡旋电磁波的模态数m有无限多个，且不同模态之间具有正交性，利用涡旋电磁波的这一特性，可以极大地提高通信系统的频谱利用率和通信容量。目前用天线阵列设计来产生涡旋波束将是一种比较可行的方法，阵列天线是一类通过调控各阵列单元辐射强度、相位延迟来进行波束扫描的阵列天线，具有探测距离远、调节速度快等优点。中国专利申请公布号CN107706518A公开了一种螺旋形涡旋电磁波天线阵，包括：螺旋形结构的天线阵、天线阵馈电网络。其特征主要在于：螺旋形结构的天线阵采用螺旋形结构的介质集成波导天线作为天线单元，以单元自身的相位差形成涡旋电磁波。天线馈电网络模块采用三个一分二功分对螺旋形结构的天线阵进行等幅同相馈电。该技术方案可以通过螺旋结构的单元结构实现各个单元之间的相位差以形成涡旋电磁波，但该技术方案需要精确的将单元结构排列成螺旋状，使得其生产制造比较麻烦；而且电磁波波束会有较大的扩散效果，这一扩散效果导致了天线波束增益的降低，降低了电磁波的涡旋效果，对与无线通信极为不利。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种反射性好的超表面轨道角动量阵列天线。本专利技术具有非常优越的入射波反射涡旋效果，反射效率可以达到70％以上，并且具有很好的能量传输效率；此外本专利技术结构简单，移相单元的单位面积利用率高，而且具有制造工艺简单、成本低廉的优点。为解决上述技术问题，本专利技术提供的技术方案如下：一种反射性好的超表面轨道角动量阵列天线，该阵列天线由两个以上移相单元排列组成的阵列相位板；所述移相单元包括介电层，介电层的表面设有呈方形环状的金属贴片，金属贴片每边的宽度相等；所述介电层的底部设有金属接地层；所述的阵列相位板按顺时针划分有第一象限、第二象限、第三象限、第四象限、第五象限、第六象限、第七象限和第八象限，每个象限内金属贴片的表面积相同，且第一象限至第八象限中移相单元上的金属贴片的表面积依次减小。上述的反射性好的超表面轨道角动量阵列天线，所述的阵列天线为正方形，由10×10个移相单元组成。前述的反射性好的超表面轨道角动量阵列天线，所述第一象限、第三象限、第五象限和第八象限中的移相单元的数量相等；所述第二象限、第四象限、第六象限和第七象限中的移相单元的数量相等。前述的反射性好的超表面轨道角动量阵列天线，所述第一象限、第三象限、第五象限和第八象限中的移相单元的数量为15个；所述第二象限、第四象限、第六象限和第七象限中的移相单元的数量为10个。前述的反射性好的超表面轨道角动量阵列天线，所述第一象限至第八象限中移相单元上的金属贴片的宽度分别为4.95mm、4.815mm、4.74mm、4.69mm、4.63mm、4.54mm、4.32mm、2.55mm。前述的反射性好的超表面轨道角动量阵列天线，所述的移相单元的介电层和金属接地层为正方形。前述的反射性好的超表面轨道角动量阵列天线，所述介电层的边长为10mm×10mm。前述的反射性好的超表面轨道角动量阵列天线，所述的金属贴片的厚度与金属接地层的厚度均为t＝0.035mm。前述的反射性好的超表面轨道角动量阵列天线，所述的介质层的介电常数为2.65，介质层的厚度为h＝1.60mm。与现有技术相比，本专利技术对移相单元的结构作了创造性的改进，将移相单元从上至下分为方形环状的金属贴片、介质层以及金属接地层三部分，且金属贴片每边的宽度相等，并由两个以上移相单元排列组成的阵列相位板，阵列相位板上按顺时针划分有第一象限、第二象限、第三象限、第四象限、第五象限、第六象限、第七象限和第八象限，每个象限内金属贴片的表面积相同，且第一象限至第八象限中移相单元上的金属贴片的表面积由大到小，本专利技术的反射效率可以达到70％以上；本专利技术采用矩形的金属贴片可以和介质层严密的贴合，大大的提高了移相单元的单位面积利用率，而且本专利技术采用的方形环状金属框的形式，不需要对介质层设置金属管，进一步地避免了入射波折射进金属管的问题，提高了入射波的涡旋效果，提高了入射波的涡旋效果，由于理论上涡旋电磁波的模态数有无限多个，且不同模态之间具有正交性，利用涡旋电磁波的这一特性，可以极大地提高通信系统的频谱利用率和通信容量，从而在能量传输上具有更大的传输效率，最终提高天线波束的增益。由于本专利技术降低了阵列天线的制造难度，其加工工艺简化，大大的降低了生产成本。此外，申请人还对移相单元的各部分在形状和尺寸上作了优选，优选后的结构进一步提高了涡旋效果和反射效率。附图说明图1是阵列天线的结构示意图；图2是移相单元的立体结构示意图；图3是移相单元的主视图；图4是阵列相位板的象限划分示意图；图5是相位变化示意图；图6是电磁波沿z轴方向入射后的x-y平面内的电场分布图；图7是电场分布图对应的螺旋分布的相位图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的说明，但并不作为对本专利技术限制的依据。实施例：一种反射性好的超表面轨道角动量阵列天线，如附图1所示，该阵列天线由两个以上移相单元1排列组成的阵列相位板2；如图2-3所示，所述移相单元1包括介电层3，介电层3的表面设有呈方形环状的金属贴片4，金属贴片4每边的宽度相等；所述介电层3的底部设有金属接地层5。为了实现对反射波波前准确控制和入射平面波的散射问题，我们通过阵列天线来研究，图4为设计的阵列天线，该阵列天线为正方形，且共由255个移相单元拼接而成阵列相位板2，所述的阵列相位板1按顺时针划分(以黑色粗线划分)有第一象限6、第二象限7、第三象限8、第四象限9、第五象限10、第六象限11、第七象限12和第八象限13，每个象限内金属贴片4的表面积相同，且第一象限6至第八象限13中移相单元1上的金属贴片4的表面积依次减小。所述第一象限6、第三象限8、第五象限10和第八象限13中的移相单元1的数量为15个；所述第二象限7、第四象限9、第六象限11和第七象限12中的移相单元1的数量为10个。所述的第一象限6中包含的移相单元有1a、1b、2b、1c、2c、3c、1d、2d、3d、4d、1e、2e、3e、4e、5e；所述的第二象限7中包含的移相单元有2a、3a、4a、5a、3b、4b、5b、4c、5c、5d；所述的第三象限8中包含的移相单元有6a、7a、8a、9a、10a、6b、7b、8b、9b、6c、7c、8c、6d、7d、6e；所述的第四象限9中包含的移相单元有10b、9c、10c、8d、9d、10d、7e、8e、9e、10e；所述的第五象限10中包含的移相单元有6f、7f、8f、9f、10f、7g、8g、9g、10g、8h、9h、10h、9i、10i、10j；所述的第六象限11中包含的移本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种反射性好的超表面轨道角动量阵列天线，其特征在于：该阵列天线由两个以上移相单元(1)排列组成的阵列相位板(2)；所述移相单元(1)包括介电层(3)，介电层(3)的表面设有呈方形环状的金属贴片(4)，金属贴片(4)每边的宽度相等；所述介电层(3)的底部设有金属接地层(5)；所述的阵列相位板(1)按顺时针划分有第一象限(6)、第二象限(7)、第三象限(8)、第四象限(9)、第五象限(10)、第六象限(11)、第七象限(12)和第八象限(13)，每个象限内金属贴片(4)的表面积相同，且第一象限(6)至第八象限(13)中移相单元(1)上的金属贴片(4)的表面积依次减小。

【技术特征摘要】
1.一种反射性好的超表面轨道角动量阵列天线，其特征在于：该阵列天线由两个以上移相单元(1)排列组成的阵列相位板(2)；所述移相单元(1)包括介电层(3)，介电层(3)的表面设有呈方形环状的金属贴片(4)，金属贴片(4)每边的宽度相等；所述介电层(3)的底部设有金属接地层(5)；所述的阵列相位板(1)按顺时针划分有第一象限(6)、第二象限(7)、第三象限(8)、第四象限(9)、第五象限(10)、第六象限(11)、第七象限(12)和第八象限(13)，每个象限内金属贴片(4)的表面积相同，且第一象限(6)至第八象限(13)中移相单元(1)上的金属贴片(4)的表面积依次减小。2.根据权利要求1所述的反射性好的超表面轨道角动量阵列天线，其特征在于：所述的阵列天线为正方形，由10×10个移相单元组成。3.根据权利要求2所述的反射性好的超表面轨道角动量阵列天线，其特征在于：所述第一象限(6)、第三象限(8)、第五象限(10)和第八象限(13)中的移相单元(1)的数量相等；所述第二象限(7)、第四象限(9)、第六象限(11)和第七象限(12)中的移相单元(1)的数量相等。4.根据权利要求3所述的反射性好的超表面轨道角动量阵列天线，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐弼军，童鑫，闫梦瑶，孙志超，
申请(专利权)人：浙江科技学院，
类型：发明
国别省市：浙江,33