【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及微波天线，具体涉及一种可展开无衍射艾里涡旋电磁波天线。
技术介绍
1、面对未来大容量高速通信及高分辨率雷达成像等需求，携带轨道角动量(orbitalangular momentum,oam)的涡旋电磁波利用其模态之间的正交性，能够提升频谱效率、通信容量以及雷达分辨率，成为下一代大容量高速无线传输的一种潜力技术，有潜力应用于卫星通信、物联网、虚拟现实/增强现实以及高清视频传输等各个领域。然而，oam波束具有“甜甜圈”形状的电场强度分布，其横截面会随着传输距离的增加而增大。显然，涡旋波束的发散性严重限制了通信和雷达的作用距离。
2、无衍射涡旋电磁波天线将无限调制自由度的oam波束与具有长距离聚束传播特性的无衍射波束(non-diffracting beam,ndb)相结合，实现了oam波束的高聚焦低发散角传输。然而，目前国内外对无衍射涡旋波束的研究相对较少。目前的无衍射涡旋波束多为高阶贝塞尔涡旋波束，很少学者关注具备突然自聚焦、自愈特性的艾里涡旋电磁波波束。考虑到天线因载体平台设备众多引起严重遮挡，艾里波束因其自愈与远距离聚焦特性，非常适合用于复杂星载平台应用。
3、为了实现艾里涡旋波束的长距离传输，增加天线的有效口径面积是最为有效的方法。但是，大口径天线势必存在加工困难、成本高等诸多问题，特别是对于星载应用，其火箭运输成本更是高昂。这些问题也严重限制了涡旋电磁波的实际应用。
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术提供了一种可展开无衍射艾里涡旋电磁
2、为了解决上述技术问题，本专利技术是这样实现的：
3、一种可展开无衍射艾里涡旋电磁波天线，包括：馈源和反射阵面；所述反射阵面朝向所述馈源的口径辐射面；所述反射阵面设置有矩阵式排列的多个形状相同尺寸不等的反射阵列单元进行相位补偿调制；所述反射阵列单元中金属贴片的边长由所述反射阵面的反射相位得到。
4、较佳地，所述反射阵列单元，在朝向所述馈源的方向上，依次层叠设置有金属反射地板、空气层、介质基板和所述金属贴片；所述介质基板反射相位的表面蚀刻有所述金属贴片，所述金属贴片对所述馈源发出的入射电磁波进行相位补偿调制。
5、较佳地，所述金属贴片，包括：一个方形金属环以及内嵌在所述方形金属环内的一个花状金属片；所述花状金属片，包括2个中心为圆形空洞的完全相同的方形金属贴片，2个所述方形金属贴片中心旋转相差45度角组合为所述花状金属片。
6、较佳地，所述金属贴片中，所述金属贴片的边长即所述方形金属环的长度l1取0.05λ至1λ之间，其中λ为真空中入射波的波长；所述方形金属环的宽度w1取0.005λ至0.1λ之间；
7、所述花状金属片的方形贴片边长l2为，其中，第一中间常数k为0.5至1之间的常数；所述花状金属片的中心圆形空洞的半径r1为，r1＝a2×k/2–w2，其中，第一尺寸参数a2＝(l1-2w1)×k，第二尺寸参数w2取0.2mm至1.5mm之间。
8、较佳地，所述金属贴片的边长为，根据所述反射阵面的反射相位得到所述反射阵列单元的反射相位ψmn为：
9、
10、其中，φ1为艾里相位分布，l为涡旋模态数，为第(m,n)个反射阵列单元对应的方位角，k0为传播常数，rmn为从第(m,n)个反射阵列单元到反射阵面中心的距离，f为馈源的相位中心到反射阵面中心的距离；
11、根据所述反射阵列单元的反射相位ψmn和天线工作频率，通过仿真得到所述方形金属环的长度l1即所述金属贴片的边长。
12、较佳地，所述反射阵面，其艾里电场分布eai(rmn)为：
13、eai(rmn)＝ai(b0(r0-rmn))；
14、其中，ai(·)为艾里函数，b0为第二中间常数，r0为艾里波束主环的半径参数，rmn为从第(m,n)个反射阵列单元到反射阵面中心的距离；艾里涡旋波束的初始半径r0＝r0+(1+b0)，r0取0.05d至d之间，d为反射阵面天线口径尺寸；b0＝kbr/r0，kbr为大于0的第三中间常数。
15、较佳地，所述反射阵面，包括：左反射子阵面和右反射子阵面，所述左反射子阵面和所述右反射子阵面之间通过铰链连接。
16、较佳地，所述铰链包括公铰、母铰、转轴、扭簧、球头定位块和平面定位块；公铰和母铰通过转轴连接并进行相对的旋转运动；扭簧驱动公铰绕母铰转动；球头定位块通过螺纹安装在公铰上，通过螺纹旋入和旋出控制球头定位块的伸出量，从而精确控制展开角度；平面定位块安装在母铰上；通过球头定位块和平面定位块的点接触对铰链展开角度进行精确定位和调节。
17、有益效果：
18、1、本专利技术通过采用反射阵面的设计，并由馈源为反射阵面进行空间馈电，在降低天线成本的同时，能够实现与馈源相同的极化特性，并对反射电磁波的相位进行调制，使得天线对入射的电磁波具有涡旋和无衍射聚焦能力。
19、2、本专利技术通过反射阵列单元的结构设计，在为远距离艾里涡旋波束的实现提供有效方案的同时，也简化了可展开无衍射艾里涡旋电磁波天线的加工，降低了生产成本，适用于航天器领域中星载平面反射阵的应用。
20、3、本专利技术通过金属贴片的结构设计，为可展开无衍射艾里涡旋电磁波天线提供了一种加工简单、具有自愈与远距离聚焦特性的艾里涡旋反射阵天线结构，并得到了相对接近线性的反射相位和金属贴片尺寸对应关系，便于天线进行设计和调整。
21、4、本专利技术通过铰链连接每个反射子阵面，能够实现阵面展开角度的精确控制，且铰链结构简单易于装调，经济性及可靠性高，通过铰链的转动调整各子反射阵面间的展开角度，能够减小天线反射阵面的运输尺寸，进一步降低天线的运输成本。
22、5、本专利技术通过对天线电场分布的数学计算和整理表达，进一步提升了天线对于不同的实际应用情况的灵活适应性，为天线可展开可调整的设计在实际应用中的调整给出帮助，拓展了天线的适用应用场景。
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1.一种可展开无衍射艾里涡旋电磁波天线，其特征在于，包括：馈源(1)和反射阵面(2)；所述反射阵面(2)朝向所述馈源(1)的口径辐射面；所述反射阵面(2)设置有矩阵式排列的多个形状相同尺寸不等的反射阵列单元(4)进行相位补偿调制；所述反射阵列单元(4)中金属贴片(41)的边长由所述反射阵面(2)的反射相位得到。
2.如权利要求1所述的可展开无衍射艾里涡旋电磁波天线，其特征在于，所述反射阵列单元(4)，在朝向所述馈源(1)的方向上，依次层叠设置有金属反射地板(44)、空气层(43)、介质基板(42)和所述金属贴片(41)；所述介质基板(42)反射相位的表面蚀刻有所述金属贴片(41)，所述金属贴片(41)对所述馈源(1)发出的入射电磁波进行相位补偿调制。
3.如权利要求2所述的可展开无衍射艾里涡旋电磁波天线，其特征在于，所述金属贴片(41)，包括：一个方形金属环(411)以及内嵌在所述方形金属环(411)内的一个花状金属片(412)；所述花状金属片(412)，包括2个中心为圆形空洞的完全相同的方形金属贴片，2个所述方形金属贴片中心旋转相差45度角组合为所述花状
4.如权利要求3所述的可展开无衍射艾里涡旋电磁波天线，其特征在于，所述金属贴片(41)中，所述金属贴片(41)的边长即所述方形金属环(411)的长度l1取0.05λ至1λ之间，其中λ为真空中入射波的波长；所述方形金属环(411)的宽度w1取0.005λ至0.1λ之间；
5.如权利要求4所述的可展开无衍射艾里涡旋电磁波天线，其特征在于，所述金属贴片(41)的边长为，根据所述反射阵面(2)的反射相位得到所述反射阵列单元(4)的反射相位ψmn为：
6.如权利要求1-5中任意一项所述的可展开无衍射艾里涡旋电磁波天线，其特征在于，所述反射阵面(2)，其艾里电场分布EAi(rmn)为：
7.如权利要求1-5中任意一项所述的可展开无衍射艾里涡旋电磁波天线，其特征在于，所述反射阵面(2)，包括：左反射子阵面(21)和右反射子阵面(22)，所述左反射子阵面(21)和所述右反射子阵面(22)之间通过铰链(3)连接。
8.如权利要求7所述的可展开无衍射艾里涡旋电磁波天线，其特征在于，所述铰链(3)包括公铰(31)、母铰(32)、转轴(33)、扭簧(34)、球头定位块(35)和平面定位块(36)；公铰(31)和母铰(32)通过转轴(33)连接并进行相对的旋转运动；扭簧(34)驱动公铰(31)绕母铰(32)转动；球头定位块(35)通过螺纹安装在公铰(31)上，通过螺纹旋入和旋出控制球头定位块(35)的伸出量，从而精确控制展开角度；平面定位块(36)安装在母铰(32)上；通过球头定位块(35)和平面定位块(36)的点接触对铰链(3)展开角度进行精确定位和调节。
...【技术特征摘要】
1.一种可展开无衍射艾里涡旋电磁波天线，其特征在于，包括：馈源(1)和反射阵面(2)；所述反射阵面(2)朝向所述馈源(1)的口径辐射面；所述反射阵面(2)设置有矩阵式排列的多个形状相同尺寸不等的反射阵列单元(4)进行相位补偿调制；所述反射阵列单元(4)中金属贴片(41)的边长由所述反射阵面(2)的反射相位得到。
2.如权利要求1所述的可展开无衍射艾里涡旋电磁波天线，其特征在于，所述反射阵列单元(4)，在朝向所述馈源(1)的方向上，依次层叠设置有金属反射地板(44)、空气层(43)、介质基板(42)和所述金属贴片(41)；所述介质基板(42)反射相位的表面蚀刻有所述金属贴片(41)，所述金属贴片(41)对所述馈源(1)发出的入射电磁波进行相位补偿调制。
3.如权利要求2所述的可展开无衍射艾里涡旋电磁波天线，其特征在于，所述金属贴片(41)，包括：一个方形金属环(411)以及内嵌在所述方形金属环(411)内的一个花状金属片(412)；所述花状金属片(412)，包括2个中心为圆形空洞的完全相同的方形金属贴片，2个所述方形金属贴片中心旋转相差45度角组合为所述花状金属片(412)。
4.如权利要求3所述的可展开无衍射艾里涡旋电磁波天线，其特征在于，所述金属贴片(41)中，所述金属贴片(41)的边长即所述方形金属环(411)的长度l1取0.05λ至1λ之间，其中λ为真空...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄雨菡，张书洋，赵香妮，刘志佳，董楠，姜华，斯扬，张洁，
申请(专利权)人：北京空间飞行器总体设计部，
类型：发明
国别省市：
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