本發(fā)明涉及基于超表面相控陣天線產(chǎn)生軌道角動(dòng)量波束的裝置，屬于通信領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

軌道角動(dòng)量(OAM)作為物理學(xué)一個(gè)重要物理量，自1992年被Allen等人證實(shí)后迅速推動(dòng)了非線性光學(xué)、量子光學(xué)、原子光學(xué)和天文學(xué)等多個(gè)學(xué)科的新發(fā)展。與自旋角動(dòng)量不同，軌道角動(dòng)量與螺旋形相位波前聯(lián)系在一起，理論上可取值無窮且彼此正交。在物理學(xué)和光通信學(xué)科交叉領(lǐng)域，科學(xué)家將軌道角動(dòng)量引入到光通信中，與波長、時(shí)隙和偏振等自由度類似，將軌道角動(dòng)量視為一個(gè)新自由度并作為數(shù)據(jù)信息載體，開展了利用軌道角動(dòng)量進(jìn)行光通信的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)研究。近幾年來，利用超表面材料產(chǎn)生軌道角動(dòng)量(OAM)波束，已成為超材料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和前沿。

超表面(Metasurface)是超材料(Metamaterial)的其二維平面陣列形式，由具有亞波長尺寸的人工“原子”周期或者非周期地排列而成，其厚度遠(yuǎn)小于工作波長是一種新型的人工電磁媒質(zhì)。對于超表面結(jié)構(gòu)，人們可以通過自由設(shè)計(jì)單元結(jié)構(gòu)、單元排列方式、以及單元各向異性，來控制等效媒質(zhì)的媒質(zhì)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)自然界中不存在或者很難實(shí)現(xiàn)的介電常數(shù)和/或磁導(dǎo)率，進(jìn)而控制電磁波。

最早于2011年，由YU等研究組利用超薄單層金屬結(jié)構(gòu)超表面材料的相位突變實(shí)現(xiàn)對光波的波束整形和傳播方向的任意調(diào)控，給出了廣義折反射定律(斯涅爾折射定律)，并利用V字型周期陣列設(shè)計(jì)了相位梯度人工微結(jié)構(gòu)超表面，產(chǎn)生了渦旋波束。之后，很多學(xué)者開始對人工微結(jié)構(gòu)超表面進(jìn)行了大量研究。Pu等采用對稱的T形周期性結(jié)構(gòu),成功設(shè)計(jì)了可以產(chǎn)生0-2π相位變化的超表面單元結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了光束的異常反射。Wei等利用圓形多層金屬諧振結(jié)構(gòu)獲得透射波的相位連續(xù)可調(diào)，通過對多層金屬諧振結(jié)構(gòu)空間分布合適設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高效高效率波束調(diào)控。孫顏顏等利用費(fèi)馬原理分析研究了相位梯度人工微結(jié)構(gòu)超表面材料的相位突變情況。Zhou研究組利用H形金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了單層的反射相位梯度超表面,將垂直入射的電磁波耦合為表面電磁波，實(shí)現(xiàn)了特定頻帶內(nèi)的一維電磁波反射聚焦。Qu課題組采用開口諧振環(huán)設(shè)計(jì)了反射型相位梯度人工微結(jié)構(gòu)超表面,實(shí)現(xiàn)了將特定極化的入射電磁波高效地耦合為表面波，并利用同極化反射超表面單元陣列,設(shè)計(jì)了高效的反射型圓極化相位梯度人工微結(jié)構(gòu)超表面。李永峰等利用圓極化波的同極化反射特性，按照一定空間陣列周期排布,設(shè)計(jì)了高效的相位梯度人工微結(jié)構(gòu)超表面,實(shí)現(xiàn)了對左右旋入射波產(chǎn)生相反的相位梯度的功能。相位梯度人工微結(jié)構(gòu)超表面所具有的特殊的物理特性的物理機(jī)理是入射的電磁波與人工微結(jié)構(gòu)超表面結(jié)構(gòu)單元相互作用后形成了局域共振效應(yīng)，產(chǎn)生的局域共振模式的層間耦合能在亞波長尺度上對入射電磁波進(jìn)行一定地調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)對入射波束的波前控制和整形。與最初的人工微結(jié)構(gòu)超材料相比較，這種超薄的二維陣列結(jié)構(gòu)超表面，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)折射、深聚焦、波束偏轉(zhuǎn)和渦旋波束等奇特的物理現(xiàn)象，還具有體積小、易于加工、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，因此在實(shí)際應(yīng)用中具有很大的發(fā)展前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，提供一種基于超表面相控陣天線產(chǎn)生軌道角動(dòng)量波束的裝置。本發(fā)明具有體積小、重量輕、成本低廉的特點(diǎn)，同時(shí)本發(fā)明產(chǎn)生波束的相位可以均勻地從0變化到2π，且每一個(gè)單元的振幅均大于80％。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下：一種基于超表面相控陣天線產(chǎn)生軌道角動(dòng)量波束的裝置，包括采用FR-4材料的圓形介質(zhì)基板，介質(zhì)基板上設(shè)有8個(gè)采用PEC材料的相控陣貼片天線，每個(gè)相控陣貼片天線等距離的分布在距離介質(zhì)基板圓心0.7λ的圓周上，且每個(gè)相控陣貼片天線均勻間隔45°；所述的相控陣貼片天線包括固定在介質(zhì)基板表面的正方形貼片天線和固定在介質(zhì)基板背面的移相、功率分配器，所述的介質(zhì)基板內(nèi)設(shè)有金屬管，且金屬管的內(nèi)側(cè)壁設(shè)有饋線，所述的饋線分別與貼片天線和移相、功率分配器相連。

上述的基于超表面相控陣天線產(chǎn)生軌道角動(dòng)量波束的裝置中，所述的介質(zhì)基板的厚度為1.6mm。

前述的基于超表面相控陣天線產(chǎn)生軌道角動(dòng)量波束的裝置中，所述的貼片天線的尺寸為6mm×6mm。

前述的基于超表面相控陣天線產(chǎn)生軌道角動(dòng)量波束的裝置中，所述的貼片天線的厚度為0.035mm。

上述的基于超表面相控陣天線產(chǎn)生軌道角動(dòng)量波束的裝置中，所述的工作頻段是10GHZ。

前述的基于超表面相控陣天線產(chǎn)生軌道角動(dòng)量波束的裝置中，所述的金屬管從上至下依次分為契入在介質(zhì)基板內(nèi)的上金屬管、位于介質(zhì)基板下方的中金屬管和下金屬管，中金屬管的外側(cè)設(shè)有介質(zhì)外管，介質(zhì)外管表面設(shè)有多個(gè)側(cè)貼片天線；所述的中金屬管的內(nèi)側(cè)設(shè)有介質(zhì)內(nèi)管，且所述的中金屬管的管身間隔開設(shè)有耦合槽，在介質(zhì)內(nèi)管的內(nèi)表面且與耦合槽相對應(yīng)的位置設(shè)置有饋線；所述的移相、功率分配器設(shè)置在下金屬管上，饋線與移相、功率分配器相連。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用相控陣天線，在圓形FR-4介質(zhì)基板上設(shè)置8個(gè)PEC材料的相控陣貼片天線，每個(gè)相控相控陣貼片天線等距離的分布在距離介質(zhì)基板圓心0.7λ的圓周上，本發(fā)明不僅對介質(zhì)基板和相控陣貼片天線的材料和厚度尺寸作了篩選，還創(chuàng)造性地提出了全新的相控陣天線的具體結(jié)構(gòu)，在相控陣天線的另一端采用了一種全新的金屬管，金屬管內(nèi)側(cè)設(shè)有饋線，饋線與移相、功率分配器相連，這樣把可調(diào)諧的相位和阻抗變化組件集成到超表面材料中形成了一個(gè)整體裝置，其表面阻抗隨著頻率的變化可以發(fā)生轉(zhuǎn)移，從而在一定的頻帶產(chǎn)生了可調(diào)的反射相移。由于本發(fā)明篩選了材料、改進(jìn)了相控陣貼片天線的具體結(jié)構(gòu)，以及采用了超表面技術(shù)，使得所選用的材料在厚度上遠(yuǎn)小于工作波長的大小，如本裝置的厚度為1.67mm遠(yuǎn)小于工作頻率10Ghz的30mm波長，是一個(gè)真正意義上的超表面結(jié)構(gòu)，相比現(xiàn)有的波束裝置產(chǎn)生了預(yù)料不到的有益效果，具有體積小、重量輕、成本低廉的特點(diǎn)，同時(shí)本發(fā)明產(chǎn)生的具有軌道角動(dòng)量的波束的相位可以均勻地從0變化到2π，且每一個(gè)單元的振幅均大于80％。

為了產(chǎn)生模式數(shù)l＝1和l＝2的具有OAM的微波波束，我們在貼片天線的移相、功率分配器端加載相同振幅但相鄰貼片天線之間的具有設(shè)定好的連續(xù)相移的信號，這樣就能產(chǎn)生具有模式數(shù)l＝1和l＝2的OAM的微波波束。如附圖3-6所示，我們通過全波仿真CST微波軟件設(shè)計(jì)和仿真得到的具有不同軌道角動(dòng)量模式數(shù)l＝1和l＝2的微波波束的強(qiáng)度分布圖和相位分布圖。附圖7為本發(fā)明得到的是具有不同軌道角動(dòng)量模式數(shù)l＝1和l＝2的微波波束的徑向分別情況。從上述附圖可以看出，通過超表面相控陣天線陣列，本發(fā)明能產(chǎn)生具有軌道角動(dòng)量波束。相比其他具有軌道角動(dòng)量的波束生成方法，且本發(fā)明重量輕、外形小，低成本，易制造，在通信領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。且移相、功率分配器可以根據(jù)產(chǎn)生不同模式軌道角動(dòng)量的要求進(jìn)行任意的相位移相功能，同時(shí)可以具有功率均分功能。

進(jìn)一步地，申請人將金屬管從上至下依次分為上金屬管、中金屬管和下金屬管，上金屬管契入介質(zhì)基板中，下金屬管外固定有移相、功率分配器，移相、功率分配器產(chǎn)生信號，經(jīng)金屬管向貼片天線傳輸信號，并發(fā)出軌道角動(dòng)量波束。在中金屬管的外側(cè)設(shè)有介質(zhì)外管，中金屬管的內(nèi)側(cè)設(shè)有介質(zhì)內(nèi)管，在介質(zhì)外管的外側(cè)設(shè)有多個(gè)側(cè)貼片天線，多個(gè)側(cè)貼片天線形成天線陣；在介質(zhì)內(nèi)管的內(nèi)側(cè)設(shè)有饋線，饋線與移相、功率分配器相連，該結(jié)構(gòu)的運(yùn)行原理是移相、功率分配器產(chǎn)生信號，且在指定邏輯規(guī)則下向饋線傳輸信號，饋線在介質(zhì)內(nèi)管、耦合槽、介質(zhì)外管的結(jié)構(gòu)下，形成耦合饋電天線陣，向側(cè)貼片天線傳輸信號，側(cè)貼片天線再向外發(fā)出信號。由此可見，本發(fā)明不僅可以向金屬管的軸向方向經(jīng)由貼片天線產(chǎn)生軌道角動(dòng)量波束，也可以通過金屬管的徑向方向經(jīng)由側(cè)貼片天線產(chǎn)生軌道角動(dòng)量波束，應(yīng)用功能以及范圍大大提高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的仰視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是實(shí)施例1中金屬管的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是實(shí)施例2中本發(fā)明的結(jié)構(gòu)圖；

圖5是中金屬管的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是具有不同軌道角動(dòng)量模式數(shù)l＝1的微波波束的強(qiáng)度分布圖；

圖7是具有不同軌道角動(dòng)量模式數(shù)l＝1的微波波束的相位分布圖；

圖8是具有不同軌道角動(dòng)量模式數(shù)l＝2的微波波束的強(qiáng)度分布圖；

圖9是具有不同軌道角動(dòng)量模式數(shù)l＝2的微波波束的相位分布圖；

圖10具有不同軌道角動(dòng)量模式數(shù)l＝1和l＝2的微波波束的徑向分別情況；

圖11是外介質(zhì)管半徑分別為60mm和120mm的波束的方向圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。

實(shí)施例：一種基于超表面相控陣天線產(chǎn)生軌道角動(dòng)量波束的裝置，如附圖1-圖3所示，包括采用FR-4(環(huán)氧玻璃)材料且厚度為1.6mm的圓形介質(zhì)基板1，介質(zhì)基板1上設(shè)有8個(gè)采用PEC(氯化聚乙烯)材料的相控陣貼片天線2，每個(gè)相控陣貼片天線2等距離的分布在距離介質(zhì)基板1圓心0.7λ的圓周上，且每個(gè)相控陣貼片天線2均勻間隔45°；所述的相控陣貼片天線2包括固定在介質(zhì)基板1表面的正方形貼片天線3和固定在介質(zhì)基板背面的移相、功率分配器4，所述的貼片天線3的尺寸為6mm×6mm，厚度為0.035mm。所述的介質(zhì)基板1內(nèi)設(shè)有金屬管5，且金屬管5分別與貼片天線3和移相、功率分配器4相連。其中每個(gè)貼片天線通過金屬管、饋線和同軸電纜與基板背面的移相、功率分配器一一相連，移相、功率分配器再分別加在每一個(gè)貼片天線上。本發(fā)明產(chǎn)生的具有軌道角動(dòng)量的波束的相位可以均勻地從0變化到2π，而每一個(gè)單元的振幅均大于80％。而其他有關(guān)超材料裝置調(diào)控相位的同時(shí)，反射一般都小于70％，由此我們可以利用該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高效的波束偏轉(zhuǎn)。為了產(chǎn)生模式數(shù)l＝1和l＝2的具有OAM的微波波束，我們在貼片天線的移相、功率分配器端加載相同振幅但相鄰貼片天線之間的具有設(shè)定好的連續(xù)相移的信號，這樣就能產(chǎn)生具有模式數(shù)l＝1和l＝2的OAM的微波波束。如附圖6-9所示，我們通過全波仿真CST微波軟件設(shè)計(jì)和仿真得到的具有不同軌道角動(dòng)量模式數(shù)l＝1和l＝2的微波波束的強(qiáng)度分布圖和相位分布圖。附圖10為本發(fā)明得到的是具有不同軌道角動(dòng)量模式數(shù)l＝1和l＝2的微波波束的徑向分別情況。從上述附圖可以看出，通過超表面相控陣天線陣列，本發(fā)明能產(chǎn)生具有軌道角動(dòng)量波束。相比其他具有軌道角動(dòng)量的波束生成方法，且本發(fā)明重量輕、外形小，低成本，易制造，在通信領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。

實(shí)施例2：如附圖4和附圖5所示，所述的金屬管5從上至下依次分為契入在介質(zhì)基板1內(nèi)的上金屬管6、位于介質(zhì)基板1下方的中金屬管7和下金屬管8，中金屬管7的外側(cè)設(shè)有介質(zhì)外管9，介質(zhì)外管9表面設(shè)有多個(gè)側(cè)貼片天線10；所述的中金屬管7的內(nèi)側(cè)設(shè)有介質(zhì)內(nèi)管11，且所述的中金屬管7的管身間隔開設(shè)有耦合槽12，在介質(zhì)內(nèi)管11的內(nèi)表面且與耦合槽12相對應(yīng)的位置設(shè)置有饋線13；所述的移相、功率分配器4設(shè)置在下金屬管8上，饋線13與移相、功率分配器4相連。申請人將金屬管從上至下依次分為上金屬管、中金屬管和下金屬管，上金屬管契入介質(zhì)基板中，下金屬管外固定有移相、功率分配器，移相、功率分配器產(chǎn)生信號，經(jīng)金屬管向貼片天線傳輸信號，并發(fā)出軌道角動(dòng)量波束。在中金屬管的外側(cè)設(shè)有介質(zhì)外管，中金屬管的內(nèi)側(cè)設(shè)有介質(zhì)內(nèi)管，在介質(zhì)外管的外側(cè)設(shè)有多個(gè)側(cè)貼片天線，多個(gè)側(cè)貼片天線形成天線陣；在介質(zhì)內(nèi)管的內(nèi)側(cè)設(shè)有饋線，饋線與移相、功率分配器相連，該結(jié)構(gòu)的運(yùn)行原理是移相、功率分配器產(chǎn)生信號，且在指定邏輯規(guī)則下向饋線傳輸信號，饋線在介質(zhì)內(nèi)管、耦合槽、介質(zhì)外管的結(jié)構(gòu)下，形成耦合饋電天線陣，向側(cè)貼片天線傳輸信號，側(cè)貼片天線再向外發(fā)出信號。由此可見，本發(fā)明不僅可以向金屬管的軸向方向經(jīng)由貼片天線產(chǎn)生軌道角動(dòng)量波束，也可以通過金屬管的徑向方向經(jīng)側(cè)貼片天線產(chǎn)生軌道角動(dòng)量波束，應(yīng)用功能以及范圍大大提高。圖11為外介質(zhì)管半徑分別為60mm和120mm的天線方向圖，從圖11可以看出側(cè)貼片天線可以成功地向金屬管徑向方向發(fā)送信號，且天線的輻射方向圖隨著外介質(zhì)管的半徑的減小，波瓣展寬，增益下降，同時(shí)天線的輸入阻抗和諧振頻率也都發(fā)生了變化。