一种具有手性结构的透射型超表面涡旋波天线制造技术

本发明专利技术公开了一种具有手性结构的透射型超表面涡旋波天线，包括透射面和馈源；透射面包括若干个呈阵列排布的线极化透射单元；每个线极化透射单元均包括从上至下依次同轴布设的上圆形贴片、上介质基板、金属地、下圆形贴片和下介质基板；上、下圆形贴片均为半径r1的圆形金属贴片，两者中心通过金属化通孔实现电导通；上圆形贴片上开设有关于M轴对称的上U型缝隙；下圆形贴片上开设有关于N轴对称的下U型缝隙；其中，M轴和N轴经过对应圆形贴片的圆心，且相垂直；上、下U型缝隙能随r1同步增大或缩小。本发明专利技术能独立调控单元的相位和幅度以产生非衍射OAM波束，通过交叉极化方式实现相位与幅度的解耦，从而模态纯度高，透射率高。透射率高。透射率高。

【技术实现步骤摘要】
一种具有手性结构的透射型超表面涡旋波天线


[0001]本专利技术涉及微波与天线
，特别是一种具有手性结构的透射型超表面涡旋波天线。

技术介绍

[0002]近年，无线通信技术的进步也带来了频谱资源的不堪重负，其通信速率趋于香农公式极限，多种复用技术现无法有效提升其通信容量。轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)在模态上的无限性以及模态之间的正交性在通信容量提升方面存在巨大潜力，引起了广泛研究。轨道角动量(OAM)具有螺旋结构相位面，不同模态数之间相互正交，同时理论上存在无限多的模态，通过模态数来进行编码调制的模式复用技术，是一种较为实用的新的技术手段来提高信道容量。射频频段获得携有OAM的波束的手段主要有螺旋相位板、抛物面天线、环形阵列天线以及超表面等，然而任何一种单纯产生涡旋电磁波的方法都存在相应的问题：
[0003]1、采用螺旋相位板，当电磁波透过时，不同方位角有不同的恶相位延迟，从而得到既定的涡旋波，结构简单，但是体积相对较大。
[0004]2、采用抛物面天线，普遍采用复杂的馈电网络，导致了复杂的结构。引入微带阵列来获得多模数克服了这一缺点，但牺牲了一部分汇聚能力。
[0005]3、采用环形阵列天线，控制单元之间的相位分布，可以得到不同模态的涡旋波，但是馈电网络复杂，设计上有较大的困难。
[0006]4、超表面是一种可以对电磁波进行调控的电磁结构，通过对每个单元的相位调制，实现不同模态的涡旋波。然而，现有的+1模态的涡旋波普遍存在线模态纯度不高，透射率低的问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种具有手性结构的透射型超表面涡旋波天线，该具有手性结构的透射型超表面涡旋波天线能独立调控单元的相位和幅度以产生非衍射OAM波束，通过交叉极化方式实现相位与幅度的解耦，从而模态纯度高，透射率高。
[0008]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：
[0009]一种具有手性结构的透射型超表面涡旋波天线，包括透射面和馈源。
[0010]馈源用于向透射面进行馈电。
[0011]透射面包括若干个呈阵列排布的线极化透射单元。
[0012]每个线极化透射单元均包括从上至下依次同轴布设的上圆形贴片、上介质基板、金属地、下圆形贴片和下介质基板。
[0013]上介质基板和下介质基板均为边长为p的方形板。
[0014]上圆形贴片和下圆形贴片均为半径为r1的圆形金属贴片，两者中心通过竖直布设
的金属化通孔实现电导通；金属化通孔与金属地之间具有环形缝隙。
[0015]上圆形贴片上开设有关于M轴对称的上U型缝隙；其中，M轴经过上圆形贴片的圆心。
[0016]下圆形贴片上开设有关于N轴对称的下U型缝隙；其中，N轴经过下圆形贴片的圆心，且与M轴相垂直。
[0017]上U型缝隙和下U型缝隙的尺寸相同，且能随r1同步增大或缩小。
[0018]上U型缝隙和下U型缝隙均包括两个U型腿部和一个用于连接两个U型腿部的U型底部。
[0019]两个U型腿部相互平行，长度和宽度尺寸分别为a1和d1；U型底部的长度和宽度尺寸分别为d2和a1
‑
a2；则a1＞d2＞r2，d1＞(a1
‑
a2)；其中，r2为金属化通孔的直径。
[0020]a1＝m*r1，a2＝n*r1，d2＝s*r1，d1＝t*r1，则s＜m＜1，(m
‑
n)＜t＜1。
[0021]设p＝10mm，则m＝0.75，n＝0.66，s＝0.27，d1＝(a1
‑
d2)/2。
[0022]在初始状态下，通过改变r1，能使对应线极化透射单元在x方向线极化的反射相位大于180
°
，且反射幅度均大于0.9；设上介质基板的相邻两条直角边所在直线分别为X轴和Y轴，则初始状态时，M轴与X轴相平行，N轴与Y轴相平行。
[0023]在r1不变时，通过同步旋转上圆形贴片和下圆形贴片，能使对应线极化透射单元在x方向线极化的反射幅度在0～1之间调整。
[0024]透射型超表面涡旋波天线工作的中心频率为9.4GHz，能在线极化下实现模态数为+1的涡旋波。
[0025]上介质基板和下介质基板的厚度均为1.5mm，介电常数均为4.5。
[0026]透射面中的线极化透射单元呈20
×
20的阵列排布。
[0027]透射面的边长D为200mm，焦径比F/D为0.74；其中，F为透射面与馈源之间的距离。
[0028]本专利技术具有如下有益效果：
[0029]1、本专利技术通过改变r1，能使对应线极化透射单元在x方向线极化的反射相位大于180
°
，且反射幅度均大于0.9；通过同步旋转上圆形贴片和下圆形贴片，能使对应线极化透射单元在x方向线极化的反射幅度在0～1之间调整；从而使得相位和幅值能高效独立操控，也即能实现独立调控单元的相位和幅度以产生非衍射OAM波束，通过交叉极化方式实现相位与幅度的解耦，从而能解决传统超表面涡旋波天线模式纯度不高及透射率低的问题。
[0030]2、本专利技术能在线极化下实现模态数为+1的涡旋波。
[0031]3、超表面单元是设计的重点，利用上圆形贴片和下圆形贴片的半径和转角可以更为简单的得到单元响应，由于大多数单元对线极化的敏感性，具有手性结构的单元可以实现相位和幅度独立的响应。
[0032]4、馈源采用X频段的角锥喇叭天线，对超表面阵列进行正向空间馈电。
[0033]5、通过将金属化通孔放置在上、下介质基板内部，也即将金属底层与辐射的上、下圆形贴片分层放置，可以进一步减小单元体积，阵面相位离散化程度更高，减小相位误差，更易于补偿超表面的所需相位。
附图说明
[0034]图1为本专利技术具有手性结构的透射型超表面涡旋波天线的结构示意图。
[0035]图2为本专利技术中透射面的结构示意图。
[0036]图3为本专利技术中线极化透射单元的三维示意图。
[0037]图4为本专利技术中线极化透射单元的俯视尺寸图。
[0038]图5为本专利技术中金属化通孔与金属地中过孔的尺寸示意图。
[0039]图6为本专利技术中上、下圆形贴片同步旋转时转角与反射幅值的变化曲线示意图。
[0040]图7为本专利技术中上、下圆形贴片半径改变时反射相位与反射幅值的变化曲线。
[0041]图8显示了本专利技术的透射型超表面涡旋波天线+1模态的幅值和相位分布示意图；其中，(a)图为幅值分布图；(b)为相位分布图。
[0042]图9为本专利技术的透射型超表面涡旋波天线在观测面上的相位分布示意图。
[0043]图10为本专利技术的透射型超表面涡旋波天线在观测面上的幅度分布示意图。
[0044]图11为本专利技术的透射型超表面涡旋波天线的三维辐射方向图。
[0045]图12为本发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有手性结构的透射型超表面涡旋波天线，其特征在于：包括透射面和馈源；馈源用于向透射面进行馈电；透射面包括若干个呈阵列排布的线极化透射单元；每个线极化透射单元均包括从上至下依次同轴布设的上圆形贴片、上介质基板、金属地、下圆形贴片和下介质基板；上介质基板和下介质基板均为边长为p的方形板；上圆形贴片和下圆形贴片均为半径为r1的圆形金属贴片，两者中心通过竖直布设的金属化通孔实现电导通；金属化通孔与金属地之间具有环形缝隙；上圆形贴片上开设有关于M轴对称的上U型缝隙；其中，M轴经过上圆形贴片的圆心；下圆形贴片上开设有关于N轴对称的下U型缝隙；其中，N轴经过下圆形贴片的圆心，且与M轴相垂直；上U型缝隙和下U型缝隙的尺寸相同，且能随r1同步增大或缩小。2.根据权利要求1所述的具有手性结构的透射型超表面涡旋波天线，其特征在于：上U型缝隙和下U型缝隙均包括两个U型腿部和一个用于连接两个U型腿部的U型底部；两个U型腿部相互平行，长度和宽度尺寸分别为a1和d1；U型底部的长度和宽度尺寸分别为d2和a1
‑
a2；则a1＞d2＞r2，d1＞(a1
‑
a2)；其中，r2为金属化通孔的直径。3.根据权利要求2所述的具有手性结构的透射型超表面涡旋波天线，其特征在于：a1＝m*r1，a2＝n*r1，d2＝s*r1，d1＝t*r1，则s＜m＜1，(m
‑
n)＜t＜1。4.根据权利要求3所述的具有手性结构的透射型超表...

【专利技术属性】
技术研发人员：卜立君，蔡洋，张希玮，李森，曹玉凡，漆思雨，司一童，马宏，吴涛，
申请(专利权)人：中国人民解放军战略支援部队航天工程大学，
类型：发明
国别省市：