【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于微波，涉及一种全息超表面天线，具体涉及一种多模态轨道角动量涡旋波束赋形的全息超表面天线。
技术介绍
1、超表面由一定数量的微小结构单元通过周期性排列组成，这些单元的尺寸远小于电磁波的波长，从而可以实现对电磁波的精确控制。全息超表面作为超表面的一种，其基本原理与光学全息原理类似。首先需要一个馈源作为激励，这个馈源通常为单极子天线激发产生的电磁波，也被称为参考波；然后需要预先设定一个想要产生的波束，即目标波，它可以是指定方向的高增益波束，也可以是携带有模态轨道角动量的涡旋波；接着让目标波和参考波在全息超表面进行干涉注意这里的干涉是指用目标波和参考波的数学表达式进行一种数学运算，干涉后的结果以表面阻抗为表征记录在全息超表面的每个单元上，具有标量特性的单元记录的是标量表面阻抗，而具有张量特性的单元记录的是张量表面阻抗，需要通过公式转化成等效标量表面阻抗；最后再用同样的单极子天线对全息超表面进行激励，即可得到预先设定的目标波。
2、轨道角动量是电磁波的基本物理属性之一。携带有轨道角动量的涡旋电磁波具有螺旋型的空间等相位面分布，该相位分布与其所对应携带的轨道角动量的模态值相关，具有不同的轨道角动量模态值的涡旋电磁波则对应有不同的空间相位分布特性。此外，不同的轨道角动量模态之间具有正交性，这使得多个不同模态的涡旋波可以进行同轴复用，也即共用一个通道进行传播。对于全息超表面来说，能够同时产生的模态各异的涡旋波的数量越多，通信效率越高；进一步来说，如果这些模态各异的涡旋波是在同一个通道中产生的，那么其对该通信信道的利用率
3、现有的多模态轨道角动量涡旋波全息超表面天线，通常仅能够在多个不同方向分别产生携带不同模态轨道角动量的涡旋波，通信信道利用率较低且接受难度较大。例如，黄慧芬于2023年在iws上发表的名为“biorthogonal circularly polarized oam wavegeneration based on a miniaturized high-efficiency holographic impedancesurface”的会议论文，提出了一种双模态轨道角动量涡旋波全息超表面天线，包括全息超表面和位于超表面中心的一个单极子天线，全息超表面包括介质基板及其下表面的金属地板和上表面的若干个圆形开缝贴片，首先让两个目标波分别与参考波进行干涉，于是得到两种表面阻抗分布，两种表面阻抗分布取平均值得到新的表面阻抗分布，根据表面阻抗与贴片尺寸的关系式，再由这个新的表面阻抗分布映射得到各位置的贴片尺寸及开缝角度，从而完成超表面的设计。该全息超表面相比单模态轨道角动量涡旋波全息超表面天线，能同时产生两种不同模态轨道角动量的涡旋波，提高了通信效率，但因为其仅能产生两个不同模态轨道角动量涡旋波，导致其通信效率仍然较低，且所产生的数量相对固定的两个不同模态轨道角动量涡旋波非同一个方向，导致通信信道的利用率较低；另外，无法通过不同模态轨道角动量涡旋波的叠加形成能量更为集中的波束，接收难度较大。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种多模态轨道角动量涡旋波束赋形全息超表面天线，用于解决现有技术中存在的通信效率和信道利用率较低，接收难度较大的技术问题。
2、为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案包括辐射器1和位于中心的馈源2，所述辐射器1包括m×n个周期性排布的超表面单元11，m≥20，n≥20；所述超表面单元11包括介质基板111和印制在其下表面的金属地板112及上表面的方形辐射贴片113；每个辐射贴片的边长amn由其所在位置的超表面单元的最大等效标量表面阻抗值决定，每个辐射贴片上蚀刻有与x轴的夹角为的矩形缝隙，且与电磁波的传播方向相等；其特征在于：
3、所述辐射器1被划分成圆形和以其为中心向外依次嵌套的p个圆环形共q个区域，q＝p+1，第q个区域生成以为方向图函数的第q种模态轨道角动量涡旋波，q个不同模态轨道角动量涡旋波相互叠加形成以为方向图函数的涡旋波束，该涡旋波束的形状随模态的个数q和相邻模态值间隔δl的取值变化，以及等效轨道角动量模态值随q、δl和第1种模态轨道角动量涡旋波的模态值l1的取值变化，实现波束赋形效果，第q种模态轨道角动量涡旋波对应的圆形区域的半径r1或第p个圆环形区域的外径rp通过经典均匀圆环阵列天线产生的涡旋波的远场辐射强度确定：
4、
5、其中，θ和分别为球坐标系中的俯仰角和方位角，lq为第q种模态轨道角动量涡旋波的模态值，为lq阶第一类贝塞尔函数，k为辐射器产生的辐射波的传播常数，rq表示第q种模态轨道角动量涡旋波对应的圆形区域的半径或圆环形区域的外径。
6、进一步地，所述的全息超表面天线，其特征在于，所述馈源2，采用单极子天线结构。
7、进一步地，所述的全息超表面天线，其特征在于，所述每个辐射贴片所在位置的超表面单元的最大等效标量表面阻抗值计算公式为：
8、
9、其中，z0为自由空间中的波阻抗，j为虚数单位，zxx、zxy、zyx和zyy为组成张量表面阻抗z的两个矢量zx和zy分别在x和y方向上的分量，θt为馈源2激励的电磁波在辐射器1上的传播方向。
10、进一步地，所述的全息超表面天线，其特征在于，所述超表面单元11，其中的每个辐射贴片的边长amn的计算公式为：
11、
12、其中，exp为自然指数函数。
13、进一步地，所述的全息超表面天线，其特征在于，所述电磁波的传播方向是指与最大等效标量表面阻抗值对应的由馈源2激励的电磁波的传播方向。
14、进一步地，所述的全息超表面天线，其特征在于，所述每个辐射贴片，其上蚀刻的矩形缝隙，将该贴片分割成的两个部分大小相同。
15、进一步地，所述的全息超表面天线，其特征在于，所述辐射器1被划分成圆形和以其为中心向外依次嵌套的p个圆环形共q个区域，其中p个圆环形中最大的圆环形的直径与辐射器1所包含的m×n个周期性排布的超表面单元11的短边相等，并将最大圆环形区域外的超表面单元11剔除。
16、进一步地，所述的全息超表面天线，其特征在于，所述第q种模态轨道角动量涡旋波对应的圆形区域的半径或圆环形区域的外径rq，是指当q＝1时，rq为第1种模态轨道角动量涡旋波对应的圆形区域的半径，当q＝2至p+1时，rq为第2种至第q种模态轨道角动量涡旋波对应的圆环形区域的外径。
17、进一步地，所述的全息超表面天线，其特征在于，所述第q种模态轨道角动量涡旋波对应的圆形区域的半径r1或第p个圆环形区域的外径rp通过经典均匀圆环阵列天线产生的涡旋波的远场辐射强度确定，确定方法为：
18、当球坐标系中的俯仰角θ为固定值且远场辐射强度为最大值时，对应的r即为第q种模态轨道角动量涡旋波对应的圆形区域的半径或圆环形区域的外径rq。
19、进一步地，所述的本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种多模态轨道角动量涡旋波束赋形的全息超表面天线，包括辐射器(1)和位于中心的馈源(2)，所述辐射器(1)包括M×N个周期性排布的超表面单元(11)，M≥20，N≥20；所述超表面单元(11)包括介质基板(111)和印制在其下表面的金属地板(112)及上表面的方形辐射贴片(113)；每个辐射贴片的边长amn由其所在位置的超表面单元的最大等效标量表面阻抗值决定，每个辐射贴片上蚀刻有与x轴的夹角为的矩形缝隙，且与电磁波的传播方向相等；其特征在于：
2.根据权利要求1所述的全息超表面天线，其特征在于，所述馈源(2)，采用单极子天线结构。
3.根据权利要求1所述的全息超表面天线，其特征在于，所述每个辐射贴片所在位置的超表面单元的最大等效标量表面阻抗值计算公式为：
4.根据权利要求3所述的全息超表面天线，其特征在于，所述超表面单元(11)，其中的每个辐射贴片的边长amn的计算公式为：
5.根据权利要求1所述的全息超表面天线，其特征在于，所述电磁波的传播方向是指与最大等效标量表面阻抗值对应的由馈源(2)激励的电磁波的传播方向。
7.根据权利要求1所述的全息超表面天线，其特征在于，所述辐射器(1)被划分成圆形和以其为中心向外依次嵌套的P个圆环形共Q个区域，其中P个圆环形中最大的圆环形的直径与辐射器(1)所包含的M×N个周期性排布的超表面单元(11)的短边相等，并将最大圆环形区域外的超表面单元(11)剔除。
8.根据权利要求1所述的全息超表面天线，其特征在于，所述第q种模态轨道角动量涡旋波对应的圆形区域的半径或圆环形区域的外径Rq，是指当q＝1时，Rq为第1种模态轨道角动量涡旋波对应的圆形区域的半径，当q＝2至P+1时，Rq为第2种至第Q种模态轨道角动量涡旋波对应的圆环形区域的外径。
9.根据权利要求1所述的全息超表面天线，其特征在于，所述第q种模态轨道角动量涡旋波对应的圆形区域的半径R1或第p个圆环形区域的外径Rp通过经典均匀圆环阵列天线产生的涡旋波的远场辐射强度确定，确定方法为：
10.根据权利要求1所述的全息超表面天线，其特征在于，所述方向图函数是指Q个不同模态轨道角动量涡旋波相互叠加所形成的涡旋波束的方向图函数，其表达式为：
...【技术特征摘要】
1.一种多模态轨道角动量涡旋波束赋形的全息超表面天线，包括辐射器(1)和位于中心的馈源(2)，所述辐射器(1)包括m×n个周期性排布的超表面单元(11)，m≥20，n≥20；所述超表面单元(11)包括介质基板(111)和印制在其下表面的金属地板(112)及上表面的方形辐射贴片(113)；每个辐射贴片的边长amn由其所在位置的超表面单元的最大等效标量表面阻抗值决定，每个辐射贴片上蚀刻有与x轴的夹角为的矩形缝隙，且与电磁波的传播方向相等；其特征在于：
2.根据权利要求1所述的全息超表面天线，其特征在于，所述馈源(2)，采用单极子天线结构。
3.根据权利要求1所述的全息超表面天线，其特征在于，所述每个辐射贴片所在位置的超表面单元的最大等效标量表面阻抗值计算公式为：
4.根据权利要求3所述的全息超表面天线，其特征在于，所述超表面单元(11)，其中的每个辐射贴片的边长amn的计算公式为：
5.根据权利要求1所述的全息超表面天线，其特征在于，所述电磁波的传播方向是指与最大等效标量表面阻抗值对应的由馈源(2)激励的电磁波的传播方向。
6.根据权利要求1所述的全息超表面天线，其特征在于...
【专利技术属性】
技术研发人员：李龙，李思浩，冯强，刘海霞，韩家奇，雷高谋，刘宏伟，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：
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