基于人工表面等离激元的平面涡旋轨道角动量天线制造技术

本发明专利技术公开基于人工表面等离激元的平面涡旋轨道角动量天线。本发明专利技术包括谐振天线、馈电系统；谐振天线包括人工表面等离激元金属圆环、第一介质板；馈电系统包括第二介质板、空气介质层、金属地、第三介质板、馈电网络；第三介质板上设有两根微带短截线，每根微带短截线末端设有小金属盘；微带短截线通过金属过孔与馈电网络连接；人工表面等离激元金属圆环中各人工表面等离激元单元的开槽单元表面阻抗变化周期相同或不同。本发明专利技术能够在平面发射携带精确定义的轨道角动量的涡旋波束，且在固定频率下通过合成多波束，将多波束叠加形成新的波束，从而能够控制波束的形状。通过调整每个表面阻抗分布实现波束扫描。面阻抗分布实现波束扫描。面阻抗分布实现波束扫描。

【技术实现步骤摘要】
基于人工表面等离激元的平面涡旋轨道角动量天线


[0001]本专利技术属于人工电磁材料领域，涉及一种基于人工表面等离激元的平面涡旋轨道角动量天线。

技术介绍

[0002]近年来，随着无线通信技术的不断发展,人们在享受着高速通信带来便利的同时，也提出了更高带宽、更高速率的通信要求。在无线通信不断发展的今天，频谱资源已极为紧张，为缓解这种稀缺问题，需要新的技术来改善这种困境，因而复用技术的研究成为热点。伴随着通信时代的不断更替，目前的复用技术已经包含了频率、时间、码型以及空间等维度，即频分复用(FDM)、时分复用(TDM)、空分复用(SDM)、正交频分复用(OFDM)以及5G使用的大规模MIMO，这些复用方式的出现都极大地缓解了现代通信容量和速率的巨大压力。可即便如此，这些技术依旧不能满足日益增加的无线终端数的实际需求。最近携带有轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)的涡旋波束引起了广泛的关注，轨道角动量作为电磁波除频率、相位、幅度、极化以外的新的物理自由度，基于这种新维度的“态分复用”使无线通信系统的传输信道极大增强。
[0003]轨道角动量(OAM)作为电磁波的一项基本属性，近年来引起了众多学者的广泛关注。由于携带不同轨道角动量的电磁波之间是完全正交的，轨道角动量可以作为一个新的维度来携载信息，并具有提升通信系统容量的潜力。在射频领域，由于携带轨道角动量的涡旋电磁波具有不可避免的波束发散性和中心相位奇点问题，在实际通信系统中对其接收和解调提出了巨大的挑战。在接收端天线口径有限的情况下，不同态的涡旋电磁波之间的正交性会被破坏，通信容量并得不到提高。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于为了有效解决携带轨道角动量的涡旋电磁波具有不可避免的波束发散性和中心相位奇点问题，本专利技术提出了一种基于人工表面等离激元的产生平面涡旋轨道角动量的圆筒状谐振腔天线。
[0005]基于人工表面等离激元的平面涡旋轨道角动量天线，为圆筒状结构，由外至内依次包括谐振天线、馈电系统；
[0006]所述谐振天线由外至内依次包括：
[0007]人工表面等离激元金属圆环(1)，由若干周期排布的人工表面等离激元单元(11)首尾相连构成圆环结构；
[0008]第一介质板(2)，位于所述人工表面等离激元金属圆环(1)的内侧面；
[0009]所述馈电系统由外至内依次包括：
[0010]第二介质板(3)，位于所述第一介质板(2)的内侧面；
[0011]空气介质层(4)，位于所述第二介质板(3)的内侧面；
[0012]金属地(5)，位于所述空气介质层(4)的内侧面；
[0013]第三介质板(6)，位于所述金属地(5)的内侧面；
[0014]馈电网络(7)，位于所述第三介质板(6)的内侧面；
[0015]其中：
[0016]所述第三介质板(6)的上表面设有两根微带短截线(8)，每根微带短截线(8)的末端设置有一个小金属盘(9)；所述微带短截线(8)通过金属过孔与所述馈电网络(7)连接；
[0017]所述人工表面等离激元单元(11)由两组轴对称的表面阻抗周期变化的开槽单元(111)构成，所述人工表面等离激元金属圆环(1)中各人工表面等离激元单元(11)的开槽单元(111)表面阻抗变化周期相同或不同。各人工表面等离激元单元(11)的开槽单元(111)表面阻抗变化周期可以采用正弦、余弦、三角波、锯齿波等函数周期中的一种。
[0018]作为优选，所述的开槽单元(111)的开槽方向均垂直于所述人工表面等离激元金属圆环(1)的圆周；
[0019]作为优选，所述的开槽单元(111)的表面阻抗通过调节开槽单元(111)的开槽深度、开槽宽度等参数实现。
[0020]作为优选，所述的开槽单元(111)沿自身轴线方向的剖面形状为矩形、V形、梯形或多边形结构。
[0021]作为优选，单周期的人工表面等离激元单元(11)的调制周期由调制的周期数来确定。
[0022]作为优选，所述小金属盘(9)的半径为0.5mm，微带短截线(8)长度为1.6mm，目的是提高辐射效率和减弱微带线的末端反射。
[0023]作为优选，所述馈电网络(7)采用电桥实现，电桥的馈电端口和输出端口均分别放置在人工表面等离激元金属圆环(1)的对称位置。
[0024]作为优选，所述第一介质板(2)、第二介质板(3)、第三介质板(6)采用PCB板、硅基底、石英基底或聚酰亚胺基底。
[0025]作为优选，所述空气介质层(4)采用泡沫板。
[0026]作为优选，所述人工表面等离激元金属圆环(1)形成谐振环，谐振环上相邻人工表面等离激元单元(11)之间存在轨道角动量所需的相位差，通过调整人工表面等离激元单元(11)周期数控制轨道角动量的模式数。
[0027]工作原理：
[0028]所述人工表面等离激元金属圆环(1)周长是调制周期p长度的n倍，其谐振条件满足以下方程：
[0029]2πR＝mλ/n
eff (1)
[0030]其中m为人工表面等离激元金属圆环(1)的谐振模式数，R为人工表面等离激元金属圆环(1)的半径，为人工表面等离激元模式的有效折射率，为方位角方向的波数，k0为自由空间的波数，λ为自由空间的波长；
[0031]因为圆环半径R比开槽单元(111)的槽宽大的多，因此周期调制的环形谐振器(即人工表面等离激元金属圆环(1))发射的第一辐射谐波在方位角方向的波数满足下述公式：
[0032][0033]其中为方位角方向
‑
1次快波的波数；
[0034]由公式(1)和(2)，得到谐振点处辐射波束的方位角传播常数其中m是人工表面等离激元金属圆环(1)的谐振模式数，n为人工表面等离激元金属圆环(1)所包含的调制周期数；此时人工表面等离激元金属圆环(1)辐射的波束为平面矢量涡旋波束，具有携带有的相位特性，l为拓扑电荷数，为方位角；人工表面等离激元金属圆环(1)辐射的波束为平面矢量涡旋波束，具有螺旋波前，并携带有和l一一对应的轨道角动量模式，对应关系为在固定谐振点处因此通过调整谐振环的调制周期数n,就能达到灵活获取轨道角动量模式数的效果。
[0035]①
当所述人工表面等离激元金属圆环(1)中各人工表面等离激元单元(11)的开槽单元(111)表面阻抗变化周期相同时，即人工表面等离激元单元(11)为一种形式；表面阻抗的调制公式如下：
[0036][0037]其中，X
s
为人工表面等离激元单元结构A的平均表面阻抗，M为调制深度，取值范围为0～1，p为调制周期，x方向为电磁波沿着阻抗表面的传播方向，j为虚数单位。
[0038]②
当所述人工表面等离激元金属圆环(1)中各人工表面等离激元单元(11)的开槽单元(111)表面阻抗变化周期不同时，且表面阻抗变化周期存在两种，即人工表面等离激元单元(11)为两种形式；表面阻抗本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于人工表面等离激元的平面涡旋轨道角动量天线，为圆筒状结构，其特征在于由外至内依次包括谐振天线、馈电系统；所述谐振天线由外至内依次包括：人工表面等离激元金属圆环(1)，由若干周期排布的人工表面等离激元单元(11)首尾相连构成圆环结构；第一介质板(2)，位于所述人工表面等离激元金属圆环(1)的内侧面；所述馈电系统由外至内依次包括：第二介质板(3)，位于所述第一介质板(2)的内侧面；空气介质层(4)，位于所述第二介质板(3)的内侧面；金属地(5)，位于所述空气介质层(4)的内侧面；第三介质板(6)，位于所述金属地(5)的内侧面；馈电网络(7)，位于所述第三介质板(6)的内侧面；其中：所述第三介质板(6)的上表面设有两根微带短截线(8)，每根微带短截线(8)的末端设置有一个小金属盘(9)；所述微带短截线(8)通过金属过孔与所述馈电网络(7)连接；所述人工表面等离激元单元(11)由两组轴对称的表面阻抗周期变化的开槽单元(111)构成，所述人工表面等离激元金属圆环(1)中各人工表面等离激元单元(11)的开槽单元(111)表面阻抗变化周期相同或不同。2.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元的平面涡旋轨道角动量天线，其特征在于各人工表面等离激元单元(11)的开槽单元(111)表面阻抗变化周期采用正弦、余弦、三角波、锯齿波函数周期中的一种。3.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元的平面涡旋轨道角动量天线，其特征在于所述的开槽单元(111)的开槽方向均垂直于所述人工表面等离激元金属圆环(1)的圆周。4.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元的平面涡旋轨道角动量天线，其特征在于所述的开槽单元(111)沿自身轴线方向的剖面形状为矩形、V形、梯形或多边形结构。5.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元的平面涡旋轨道角动量天线，其特征在于所述馈电网络(7)采用电桥实现，电桥的馈电端口和输出端口均分别放置在人工表面等离激元金属圆环(1)的对称位置。6.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元的平面涡旋轨道角动量天线，其特征在于所述第一介质板(2)、第二介质板(3)、第三介质板(6)采用PCB板、硅基底、石英基底或聚酰亚胺基底。7.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元的平面涡旋轨道角动量天线，其特征在于所述人工表面等离激元金属圆环(1)形成谐振环，谐振环上相邻人工表面等离激元单元(11)之间存在轨道角动量所需的相位差，通过调整人工表面等离激元单元(11)周期数控制轨道角动量的模式数。8.根据权利要求1
‑
7任一项所述的基于人工表面等离激元的平面涡旋轨道角动量天线，其特征在于所述人工表面等离激元金属圆环(1)周长是调制周期p长度的n倍，其谐振条件满足以下方程：
2πR＝mλ/n
eff (1)其中m为人工表面等离激元金属圆环(1)的谐振模式数，R为人工表面等离激元金属圆...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖臻，张鑫，潘柏操，彭星，黄晨昊，武少飞，张静，唐中豪，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：