一种轨道角动量透镜天线制造技术

本发明专利技术公开了一种轨道角动量透镜天线，包括两个馈源和透射阵列，所述的馈源以偏馈方式布置在透射阵列的下方；双焦点设计实现天线孔径面复用，提出了一种超表面口径复用的设计，实现了两路正交电磁OAM波束多路复用。本发明专利技术提出了一种超表面口径复用的设计，实现了两路正交电磁OAM波束多路复用;将OAM多路复用与MIMO技术相结合，实现高信道容量增益;采用类法布里—珀罗散射型共振单元，有利于提高天线的极化纯度。的极化纯度。的极化纯度。

【技术实现步骤摘要】
一种轨道角动量透镜天线


[0001]本专利技术涉及通信天线，尤其涉及一种轨道角动量透镜天线。

技术介绍

[0002]随着4G和5G时代的到来，移动端数量呈现爆炸式增长态势、多种流媒体服务和视频服务也随之兴起。这使得人们对于无线信号的传输速率和通信质量的要求越来越高，也在一定程度上促进了现代无线通信技术的快速发展。然而无线通信数据传输业务的指数级增长，给原本有限的频谱资源带来了不小的挑战，具体表现在频谱资源日趋紧张和通信信道日益拥挤等问题。
[0003]对于频谱资源日趋紧张的问题，国际电信联盟将载波频率从Sub
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6GHz（FR1）拓展到了毫米波mmWave频段（FR2）。为了满足更低时延和更高速率传输，6G计划向太赫兹频段拓展，其中太赫兹频率泛指在0.1
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10THz频段内的电磁波。
[0004]对于信道容量日趋拥挤的问题，科研工作者思考如何在有限的频谱资源内提升频谱资源利用率，从而进行更大容量、更高效率的无线数据传输。这是当今通信领域研究的热点问题，同时也是大国间高科技领域的又一场角逐。无线传输系统中，常见使用双极化天线提供多一路的数据流，从而达到增大信道容量的目的。除了以上采用双极化天线来增大信道容量的做法外，常见的信道容量拓展还有多进多出（MIMO）复用技术，包括频分复用和极化复用。最新的研究结果表明，携带不同拓扑荷的轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)电磁波，具有螺旋形波前相位面，且其携带的不同模式之间相互正交。各模式之间的信号可实现同时、同频多路复用传输，更重要的是它们相互之间不存在干扰的问题。因此，利用轨道角动量的螺旋相位这一物理特性，可实现不同拓扑荷OAM电磁波之间的复用，进而提高无线通信系统的信道容量增益。
[0005]无线通信系统中，为了提升信道容量一般可以采用双极化天线和MIMO技术来实现。但是频谱资源的日益枯竭，促使学术界和工业界开发更加先进的复用技术。涡旋波轨道角动量的研究，有望应用于未来高速率、大信道容量通信。现有的产生轨道角动量电磁波的几种方法，分别是螺旋相位板法、抛物面反射器法、反射阵列法、行波天线、基于光学变换的波束发生器和超表面天线法等。以上介绍的天线技术多为单波束的形式，即只能在同一时间内，产生单个OAM波束，无法实现OAM波束复用。目前OAM复用主要有以下方法：一、通过功分馈电网络对天线阵列进行馈电，从而生成多模式的OAM电磁波，实现OAM模式复用。二、通过巴特勒矩阵馈电网络实现90
°
相位差以及SIW（Substrate integrate waveguide）功分网络实现等相位激励，进而产生OAM电磁波。以上两种方法都单独设计馈电网络，且设计难度随着复用水平的提高呈现上升趋势。伴随频率的提高，馈电网络的插入损耗和制备复杂度限制了其应用。同时现有轨道角动量天线存在体积庞大、产生轨道角动量模式有限等问题，无法满足现代通信系统小型化、大容量、高效率的要求。

技术实现思路

[0006]本专利技术要解决的技术问题是提供一种能够满足大信道容量要求的轨道角动量透镜天线。
[0007]为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是，一种轨道角动量透镜天线，包括两个馈源和透射阵列，所述的馈源以偏馈方式布置在透射阵列的下方,双焦点设计实现天线孔径面复用，提出了一种超表面口径复用的设计，实现了两路正交电磁OAM波束多路复用。
[0008]以上所述的轨道角动量透镜天线，其采用了OAM多路复用与MIMO技术相结合，实现高信道容量增益。OAM状态间具有天然正交性，每个OAM状态都与一个独立的信道相关，可以在发射机上复用，在同一介质内同轴传播，在接收机上解复用。因此使用OAM的模分复用提供了传统频分复用和极化复用之外的另一种分集方案，有望提高系统容量。
[0009]以上所述的轨道角动量透镜天线，所述的透射阵列包括两个介质层和三个金属层，第一金属层附在第一介质板的顶面，第二金属层位于第一介质板与第二介质板之间，第三金属层附在第二介质板的底面；第一金属层与第三金属层为相互垂直的光栅，相移单元中只有与最底层偏振方向相同的电磁波才能穿透，然后电磁波经过沿着对角线分布的对称结构分解成为x和y极化，y极化波穿透最顶层的金属栅格。x极化波则在腔内发生类法布里
‑
珀罗腔散射过程，这样一个流程下来将入射水平偏振变换为正交垂直偏振，在一定程度上提高了电磁波的极化纯度；第二金属层包括复数个相移单元，复数个相移单元按M行、N列的矩阵布置。
[0010]以上所述的轨道角动量透镜天线，所述的相移单元为I形，包括直杆和布置在直杆两端的同心的圆弧，相移单元的直杆与X轴方向的交角为45
°
；第一金属层光栅的金属条沿Y轴方向布置，第二金属层光栅的金属条沿Y轴方向布置。
[0011]以上所述的轨道角动量透镜天线，第二介质板包括上介质层和下介质层，第二金属层附在上介质层的顶面，第三金属层附在下介质层的底面。
[0012]以上所述的轨道角动量透镜天线，相移单元两个同心圆弧之间存在开口，开口对应的圆心角为α，通过调节圆心角α值的大小来实现相位补偿，调节相移单元的相位响应。
[0013]以上所述的轨道角动量透镜天线，M=N=30，所述矩阵的行间距=矩阵的列间距=1.67mm。
[0014]以上所述的轨道角动量透镜天线，α值的变化范围是10
‑
130
°
，；为相移单元生成两个复用OAM波束所需要补偿的相位。
[0015]以上所述的轨道角动量透镜天线，所需要补偿的相位；上式中，；相移单元的相位按下式计算：为坐标为x,y相移单元的相位，（x,y）为相移单元的中心坐标值，F为馈源中心到透镜中心的距离，λ0为中心频率对应的波长；；下标n为复用波束的序号，l为任意整数。
[0016]本专利技术的轨道角动量透镜天线不用需要复杂的馈电网络就能够实现OAM模式复用，可以满足现代通信系统小型化、大容量的要求。
附图说明
[0017]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。
[0018]图1是本专利技术实施例轨道角动量透镜天线的主视图。
[0019]图2是本专利技术实施例透射阵列的俯视图。
[0020]图3是本专利技术实施例透射阵列的仰视图。
[0021]图4是本专利技术实施例透射阵列的立体图。
[0022]图5是图5中Ⅰ部位的局部放大图。
[0023]图6是本专利技术实施例透镜单元的立体图。
[0024]图7是本专利技术实施例透镜单元的分解图。
[0025]图8是本专利技术实施例相移单元的立体图。
[0026]图9是本专利技术实施例相移单元的俯视图。
[0027]图10是本专利技术实施例透镜单元的相位响应曲线图。
[0028]图11是本专利技术实施例透镜单元的透射系数曲线图。
[0029]图12是本专利技术实施例轨道角动量透镜阵列天线的相位合成图。
[本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种轨道角动量透镜天线，包括馈源和透射阵列，其特征在于，所述的馈源为两个，以偏馈方式布置在透射阵列的下方，双焦点设计实现天线孔径面复用，提出了一种超表面口径复用的设计，实现了两路正交电磁OAM波束多路复用。2.根据权利要求1所述的轨道角动量透镜天线，其采用了OAM多路复用与MIMO技术相结合，实现高信道容量增益；OAM状态间具有天然正交性，每个OAM状态都与一个独立的信道相关，可以在发射机上复用，在同一介质内同轴传播，在接收机上解复用；因此使用OAM的模分复用提供了传统频分复用和极化复用之外的另一种分集方案，有望提高系统容量。3.根据权利要求1所述的轨道角动量透镜天线，其特征在于，所述的透射阵列包括两个介质层和三个金属层，第一金属层附在第一介质板的顶面，第二金属层位于第一介质板与第二介质板之间，第三金属层附在第二介质板的底面；第一金属层与第三金属层为相互垂直的光栅，相移单元中只有与最底层偏振方向相同的电磁波才能穿透，然后电磁波经过沿着对角线分布的对称结构分解成为x和y极化，y极化波穿透最顶层的金属栅格；x极化波则在腔内发生类法布里
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珀罗腔散射过程，这样一个流程下来将入射水平偏振变换为正交垂直偏振，在一定程度上提高了电磁波的极化纯度；第二金属层包括复数个相移单元，复数个相移单元按M行、N列的矩阵布置。4.根据权利要求3...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄洪平，黄义平，冯波涛，邓胜丰，白启昊，
申请(专利权)人：深圳市齐奥通信技术有限公司，
类型：发明
国别省市：