超薄軌道角動量螺旋相位板天線及其設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種超薄軌道角動量螺旋相位板天線，該天線由若干螺旋相位板天線單元進(jìn)行橫向和豎向排列組合而成，每個螺旋相位板天線單元由上下兩個天線子單元堆疊而成，每個天線子子單元包括第一介質(zhì)基板和第二介質(zhì)基板，第一介質(zhì)基板的上表面和第二介質(zhì)基板的下表面上都設(shè)有金屬縫隙結(jié)構(gòu)，第一介質(zhì)基板的下表面和第二介質(zhì)基板的上表面之間設(shè)有光子帶隙結(jié)構(gòu)。另外，本發(fā)明還公開了一種超薄軌道角動量螺旋相位板天線的設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明能在最小化厚度的同時保持天線良好的性能，且靈活方便，避開了普通螺旋相位板天線厚度大，結(jié)構(gòu)笨重的缺點(diǎn)。
【專利說明】
超薄軌道角動量螺旋相位板天線及其設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及天線技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種超薄軌道角動量螺旋相位板天線及其設(shè) 計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 快速發(fā)展的現(xiàn)代通信系統(tǒng)在給人們的生活帶來了更多的便利的同時，也因?yàn)轭l譜 資源日趨緊張面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。如何更合理的利用頻譜資源，提高頻譜利用率和編碼效 率，成為當(dāng)今無線通信領(lǐng)域的一個研究熱點(diǎn)。不同階數(shù)的OAM波束之間相互正交，運(yùn)一特性 允許OAM波束沿著軸向復(fù)用和解復(fù)用。因此，可W建立一個完備的視距傳輸鏈路，在同一頻 帶下每一個OAM波束可W攜帶一組數(shù)據(jù)，從而通信容量和頻譜利用率增大為原來的N倍，N為 鏈路中使用的OAM狀態(tài)數(shù)。
[0003] 螺旋相位板天線是一種產(chǎn)生攜帶軌道角動量的電磁波波束的常見方法，在微波、 毫米波和光波段都得到了廣泛的應(yīng)用。迄今為止，已有多種基于不同原理的旋轉(zhuǎn)相位板被 報(bào)道，其中包括平滑螺旋相位板和階梯螺旋相位板，運(yùn)種結(jié)構(gòu)是通過控制介質(zhì)的厚度來改 變透射波的相位，從而實(shí)現(xiàn)對相位的調(diào)制來產(chǎn)生滿旋波束;鉆孔平板旋轉(zhuǎn)相位板是通過在 介質(zhì)板上鉆孔，改變局部的等效介電常數(shù)，從而控制不同位置的相位延遲來產(chǎn)生滿旋波束； 光頻段的超表面是通過旋轉(zhuǎn)排布不同的型天線來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)相位;盡管運(yùn)些結(jié)構(gòu)的原理不盡 相同，但都是對入射波束的相位進(jìn)行空間調(diào)制產(chǎn)生滿旋波束，讓透射波束攜帶有軌道角動 量。然而上述螺旋相位板的厚度通常要大于半波長，因此結(jié)構(gòu)在微波段過于笨重，不利于實(shí) 際應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 發(fā)明目的：本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種超薄軌道角動量螺旋相位 板天線及其設(shè)計(jì)方法，該天線能在最小化厚度的同時保持天線良好的性能，且靈活方便，避 開了普通螺旋相位板天線厚度大，結(jié)構(gòu)笨重的缺點(diǎn)。
[0005] 技術(shù)方案:本發(fā)明所述的超薄軌道角動量螺旋相位板天線，由若干螺旋相位板天 線單元進(jìn)行橫向和豎向排列組合而成，每個螺旋相位板天線單元由上下兩個天線子單元堆 疊而成，每個天線子子單元包括第一介質(zhì)基板和第二介質(zhì)基板，第一介質(zhì)基板的上表面和 第二介質(zhì)基板的下表面上都設(shè)有金屬縫隙結(jié)構(gòu)，第一介質(zhì)基板的下表面和第二介質(zhì)基板的 上表面之間設(shè)有光子帶隙結(jié)構(gòu)。
[0006] 進(jìn)一步的，所述金屬縫隙結(jié)構(gòu)具體為方形。
[0007] 進(jìn)一步的，所述螺旋相位板天線單元的補(bǔ)償相位錢PP由其所在的位置決定，具體關(guān) 系式為：
[000引
[0009] 式中，x、y分別為螺旋相位板天線單元的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，I為軌道角動量的階數(shù)， 入為自由空間波長，f為焦距。
[0010] 進(jìn)一步的，所述金屬縫隙結(jié)構(gòu)的長度由螺旋相位板天線單元的補(bǔ)償相位決定，具 體關(guān)系式為：
[0011]
[0012] 式中，Dx為金屬縫隙結(jié)構(gòu)長度，Phi為螺旋相位板天線單元的補(bǔ)償相位。
[0013] 進(jìn)一步的，所述光子帶隙結(jié)構(gòu)的尺寸由金屬縫隙結(jié)構(gòu)的長度決定，具體關(guān)系式為：
[0014]
[001引式中，WC、LL分別為光子帶隙結(jié)構(gòu)的寬度和長度，Dx為金屬縫隙結(jié)構(gòu)長度。
[0016] 本發(fā)明所述的超薄軌道角動量螺旋相位板天線的設(shè)計(jì)方法，包括步驟：
[0017] S1、使用電磁仿真軟件仿真天線子單元，其中，所述天線子單元包括第一介質(zhì)基板 和第二介質(zhì)基板，第一介質(zhì)基板的上表面和第二介質(zhì)基板的下表面上都設(shè)有金屬縫隙結(jié) 構(gòu)，第一介質(zhì)基板的下表面和第二介質(zhì)基板的上表面之間設(shè)有光子帶隙結(jié)構(gòu)；
[0018] S2、通過對螺旋相位板天線單元參數(shù)掃描，得到光子帶隙結(jié)構(gòu)尺寸與金屬縫隙結(jié) 構(gòu)長度之間的關(guān)系式Fl，再根據(jù)該關(guān)系式Fl調(diào)整光子帶隙結(jié)構(gòu)尺寸，從而在給定的頻帶內(nèi) 得到平坦的透射幅度和最大的相位變化；
[0019] S3、將兩個天線子單元堆疊在一起形成螺旋相位板天線單元，并通過曲線擬合得 到螺旋相位板天線單元的傳輸相位與金屬縫隙結(jié)構(gòu)長度之間的關(guān)系式F2;
[0020] S4、將若干個對螺旋相位板天線單元進(jìn)行橫向和豎向排列組合，形成螺旋相位板 天線；
[0021] S5、根據(jù)每個螺旋相位板天線單元的位置計(jì)算得到其對應(yīng)的補(bǔ)償相位，并將補(bǔ)償 相位作為關(guān)系式F2的傳輸相位，計(jì)算得到對應(yīng)的金屬縫隙結(jié)構(gòu)長度；
[0022] S6、根據(jù)計(jì)算得到的金屬縫隙結(jié)構(gòu)長度采用關(guān)系式Fl計(jì)算得到光子帶隙結(jié)構(gòu)尺 寸；
[0023] S7、按照計(jì)算得到的每個螺旋相位板天線單元的金屬縫隙結(jié)構(gòu)長度和光子帶隙結(jié) 構(gòu)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到最終的螺旋相位板天線。
[0024] 進(jìn)一步的，所述金屬縫隙結(jié)構(gòu)具體為方形。
[0025] 進(jìn)一步的，所述關(guān)系式Fl具體為：
[0026] WC = 0.4*Dx+3.2
[0027] 化=0.巧 Dx+1.2
[002引式中，WC、LL分別為光子帶隙結(jié)構(gòu)的寬度和長度，Dx為金屬縫隙結(jié)構(gòu)長度。
[0029]進(jìn)一步的，所述關(guān)系式F2具體為：
[0030] Dx = 4-l.l*cos(I%i*0.012)-0.6*sin(Phi*0.012)
[0031] 式中，Dx為金屬縫隙結(jié)構(gòu)長度，Phi為螺旋相位板天線單元的傳輸相位。
[0032] 進(jìn)一步的，每個螺旋相位板天線單元的補(bǔ)償相位口SPP根據(jù)W下公式計(jì)算得到：
[0033]
[0034] 式中，x、y分別為螺旋相位板天線單元的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，1為軌道角動量的階數(shù)， 入為自由空間波長，f為焦距。
[0035] 有益效果:本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是:本發(fā)明提出了一種超薄軌道角 動量螺旋相位板天線，該天線是基于傳輸陣列技術(shù)設(shè)計(jì)的，由多個單元構(gòu)成，通過調(diào)整金屬 縫隙的長度實(shí)現(xiàn)對波束相位的精確調(diào)控，不同位置的入射波相位不同，對應(yīng)調(diào)控的單尺寸 就不同，而且本發(fā)明首次在螺旋相位板天線設(shè)計(jì)中引入超薄結(jié)構(gòu)，厚度僅為自由空間波長 的十五分之一，厚度小至2mm，并且能夠在實(shí)現(xiàn)360°相移的同時保持相當(dāng)小傳輸損耗，在理 論和工程中可廣泛應(yīng)用。
【附圖說明】
[0036] 圖1是本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037] 圖2是圖1中螺旋相位板天線單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038] 圖3是單元傳輸幅度和相位隨化變化曲線圖；
[0039] 圖4是螺旋相位板天線遠(yuǎn)場福射方向圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040] 如圖1所示，本實(shí)施例的超薄軌道角動量螺旋相位板天線由若干螺旋相位板天線 單元進(jìn)行橫向和豎向按照準(zhǔn)周期方式排列而成，圖中，一個方格為一個單元。如圖2所示，每 個螺旋相位板天線單元由上下兩個天線子單元堆疊而成，每個天線子子單元包括第一介質(zhì) 基板和第二介質(zhì)基板，第一介質(zhì)基板的上表面和第二介質(zhì)基板的下表面上都設(shè)有金屬縫隙 結(jié)構(gòu)，具體為方形，第一介質(zhì)基板的下表面和第二介質(zhì)基板的上表面之間設(shè)有光子帶隙結(jié) 構(gòu)。
[0041] 其中，螺旋相位板天線單元的補(bǔ)償相位錢PP由其所在的位置決定，具體關(guān)系式為：
[0042]
[0043] 式中，x、y分別為螺旋相位板天線單元的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，1為軌道角動量的階數(shù)， 入為自由空間波長，f為焦距。
[0044] 其中，金屬縫隙結(jié)構(gòu)的長度由螺旋相位板天線單元的補(bǔ)償相位決定，具體關(guān)系式 為：
[0045] Dx = 4-l.l*cos(I%i*0.012)-0.6*sin(Phi*0.012)
[0046] 式中，Dx為金屬縫隙結(jié)構(gòu)長度，Phi為螺旋相位板天線單元的補(bǔ)償相位。
[0047] 其中，光子帶隙結(jié)構(gòu)的尺寸由金屬縫隙結(jié)構(gòu)的長度決定，具體關(guān)系式為：
[004引
[0049] 式中，WC、LL分別為光子帶隙結(jié)構(gòu)的寬度和長度，Dx為金屬縫隙結(jié)構(gòu)長度。
[0050] 本實(shí)施例的超薄軌道角動量螺旋相位板天線的設(shè)計(jì)方法，包括步驟：
[0051] S1、使用電磁仿真軟件CST MWS仿真天線子單元，其中，天線子單元包括第一介質(zhì) 基板和第二介質(zhì)基板，第一介質(zhì)基板的上表面和第二介質(zhì)基板的下表面上都設(shè)有方形金屬 縫隙結(jié)構(gòu)，第一介質(zhì)基板的下表面和第二介質(zhì)基板的上表面之間設(shè)有光子帶隙結(jié)構(gòu)。
[0052] S2、通過對螺旋相位板天線單元參數(shù)掃描，得到光子帶隙結(jié)構(gòu)尺寸與金屬縫隙結(jié) 構(gòu)長度之間的關(guān)系式Fl，再根據(jù)該關(guān)系式Fl調(diào)整光子帶隙結(jié)構(gòu)尺寸，從而在給定的頻帶內(nèi) 得到平坦的透射幅度和最大的相位變化。
[0053] 其中，關(guān)系式Fl具體為：
[0054] WC = 0.4*Dx+3.2
[0055] 化=0.巧 Dx+1.2
[0056] 式中，WC、LL分別為光子帶隙結(jié)構(gòu)的寬度和長度，Dx為金屬縫隙結(jié)構(gòu)長度。
[0057] 在給定的頻帶內(nèi)得到平坦的透射幅度和最大的相位變化具體步驟是:取一組不同 大小的方環(huán)縫隙參數(shù)Dx,通過調(diào)整每一個Dx值對應(yīng)的光子帶隙參數(shù)WC和化的大小來獲得平 坦的透射幅度，最大的相位變化。運(yùn)種設(shè)計(jì)方法的優(yōu)勢在于只需要變化一個單元參數(shù)的尺 寸，就可W獲得連續(xù)變化的傳輸相位，從而減小了設(shè)計(jì)和加工的復(fù)雜度。
[0058] S3、將兩個天線子單元堆疊在一起形成螺旋相位板天線單元，并通過曲線擬合得 到螺旋相位板天線單元的傳輸相位與金屬縫隙結(jié)構(gòu)長度之間的關(guān)系式F2為：
[0059] Dx = 4-l.l*cos(I%i*0.012)-0.6*sin(Phi*0.012)
[0060] 式中，Dx為金屬縫隙結(jié)構(gòu)長度，Phi為螺旋相位板天線單元的傳輸相位。
[0061] 得到關(guān)系式F2的具體步驟為:設(shè)計(jì)天線中屯、工作頻率為lOGHz，在該頻率值下，從 CST中導(dǎo)出單元傳輸相位數(shù)據(jù)和Dx數(shù)據(jù)，利用Matlab軟件中的曲線擬合工具對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬 合，得到傳輸相位化i與變量Dx的關(guān)系式。
[0062] 將兩個天線子單元堆疊在一起的原因是:天線子單元兩層金屬縫隙結(jié)構(gòu)得到的1- 地幅度帶寬對應(yīng)的相移范圍小于360°。為了在1-地幅度帶寬下得到360°相移，通常需要4個 諧振，由于天線子單元只能產(chǎn)生3個諧振點(diǎn)，因此難W實(shí)現(xiàn)360°傳輸相移。故而將兩層天線 子單元堆疊在一起構(gòu)成螺旋相位板天線單元，可W產(chǎn)生四個諧振頻點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了360°相 移。
[0063] S4、將若干個對螺旋相位板天線單元進(jìn)行橫向和豎向排列組合，形成螺旋相位板 天線。
[0064] S5、根據(jù)每個螺旋相位板天線單元的位置計(jì)算得到其對應(yīng)的補(bǔ)償相位，并將補(bǔ)償 相位作為關(guān)系式F2的傳輸相位，計(jì)算得到對應(yīng)的金屬縫隙結(jié)構(gòu)長度。
[0065] 其中，每個螺旋相位板天線單元的補(bǔ)償相位轉(zhuǎn)PP根據(jù)W下公式計(jì)算得到：
[0066]
[0067] 式中，x、y分別為螺旋相位板天線單元的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，1為軌道角動量的階數(shù)， 入為自由空間波長，f為焦距。
[0068] S6、根據(jù)計(jì)算得到的金屬縫隙結(jié)構(gòu)長度采用關(guān)系式Fl計(jì)算得到光子帶隙結(jié)構(gòu)尺 寸。
[0069] S7、按照計(jì)算得到的每個螺旋相位板天線單元的金屬縫隙結(jié)構(gòu)長度和光子帶隙結(jié) 構(gòu)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到最終的螺旋相位板天線。
[0070] 為了對本實(shí)施例進(jìn)行驗(yàn)證，將一個X波段的波紋圓錐卿趴天線放置在離天線口面 距離F為160mm處對螺旋相位板天線進(jìn)行饋電，近場電場幅度的中屯、區(qū)域存在一個由軌道角 動量波束相位奇點(diǎn)形成的黑桐狀的零陷區(qū)域，近場電場相位呈螺旋狀。波紋圓錐卿趴天線 在焦距處發(fā)射球面波，通過此螺旋相位板天線可W產(chǎn)生攜帶1 = 1階軌道角動量的電磁波 束，如圖2所示，設(shè)計(jì)的螺旋相位板天線單元結(jié)構(gòu)為：四層0.5mm厚的介質(zhì)基板，其介電常數(shù) 為3.0，金屬縫隙結(jié)構(gòu)為厚度為0.035mm的金屬貼片，光子帶隙厚度為0.035mm，光子帶隙大 小為10mm*10mm，光子帶隙寬度為0.5mm，金屬縫隙外長化為變量。
[0071] 圖3是仿真結(jié)果，說明了螺旋相位板天線單元的傳輸幅度和相位隨著縫隙外部長 度Dx值的變化關(guān)系。由圖中可知，螺旋相位板單元的傳輸幅度損耗均小于1地，運(yùn)表明單元 的幅度損耗很小，從饋源入射的絕大部分能量可W從提出的螺旋相位板天線透射過去，同 時傳輸相位范圍可W完全覆蓋360°，運(yùn)樣就確保了螺旋相位板天線實(shí)現(xiàn)高效率和高性能。 圖4是提出的超薄軌道角動量螺旋相位板天線遠(yuǎn)場方向圖的實(shí)測和仿真結(jié)果，方向圖中屯、 存在零陷區(qū)域，結(jié)果表明本發(fā)明提出的螺旋相位板天線產(chǎn)生了軌道角動量波束。
[0072] W上所掲露的僅為本發(fā)明一種較佳實(shí)施例而已，不能W此來限定本發(fā)明之權(quán)利范 圍，因此依本發(fā)明權(quán)利要求所作的等同變化，仍屬本發(fā)明所涵蓋的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種超薄軌道角動量螺旋相位板天線，其特征在于：該天線由若干螺旋相位板天線 單元進(jìn)行橫向和豎向排列組合而成，每個螺旋相位板天線單元由上下兩個天線子單元堆疊 而成，每個天線子子單元包括第一介質(zhì)基板和第二介質(zhì)基板，第一介質(zhì)基板的上表面和第 二介質(zhì)基板的下表面上都設(shè)有金屬縫隙結(jié)構(gòu)，第一介質(zhì)基板的下表面和第二介質(zhì)基板的上 表面之間設(shè)有光子帶隙結(jié)構(gòu)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超薄軌道角動量螺旋相位板天線，其特征在于:所述金屬縫隙 結(jié)構(gòu)具體為方形。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超薄軌道角動量螺旋相位板天線，其特征在于:所述螺旋相位 板天線單元的補(bǔ)償相位Aw由其所在的位置決定，具體關(guān)系式為：式中，x、y分別為螺旋相位板天線單元的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，1為軌道角動量的階數(shù)，λ為 自由空間波長，f為焦距。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超薄軌道角動量螺旋相位板天線，其特征在于:所述金屬縫隙 結(jié)構(gòu)的長度由螺旋相位板天線單元的補(bǔ)償相位決定，具體關(guān)系式為： Dx = 4-1. l*cos(陸i*0.012)-0.6*sin(陸i*0.012) 式中，Dx為金屬縫隙結(jié)構(gòu)長度，陸i為螺旋相位板天線單元的補(bǔ)償相位。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超薄軌道角動量螺旋相位板天線，其特征在于:所述光子帶隙 結(jié)構(gòu)的尺寸由金屬縫隙結(jié)構(gòu)的長度決定，具體關(guān)系式為：式中，WC、化分別為光子帶隙結(jié)構(gòu)的寬度和長度，Dx為金屬縫隙結(jié)構(gòu)長度。6. -種超薄軌道角動量螺旋相位板天線的設(shè)計(jì)方法，其特征在于:包括步驟： 51、 使用電磁仿真軟件仿真天線子單元，其中，所述天線子單元包括第一介質(zhì)基板和第 二介質(zhì)基板，第一介質(zhì)基板的上表面和第二介質(zhì)基板的下表面上都設(shè)有金屬縫隙結(jié)構(gòu)，第 一介質(zhì)基板的下表面和第二介質(zhì)基板的上表面之間設(shè)有光子帶隙結(jié)構(gòu)； 52、 通過對螺旋相位板天線單元參數(shù)掃描，得到光子帶隙結(jié)構(gòu)尺寸與金屬縫隙結(jié)構(gòu)長 度之間的關(guān)系式F1，再根據(jù)該關(guān)系式F1調(diào)整光子帶隙結(jié)構(gòu)尺寸，從而在給定的頻帶內(nèi)得到 平坦的透射幅度和最大的相位變化； 53、 將兩個天線子單元堆疊在一起形成螺旋相位板天線單元，并通過曲線擬合得到螺 旋相位板天線單元的傳輸相位與金屬縫隙結(jié)構(gòu)長度之間的關(guān)系式F2; 54、 將若干個對螺旋相位板天線單元進(jìn)行橫向和豎向排列組合，形成螺旋相位板天線； 55、 根據(jù)每個螺旋相位板天線單元的位置計(jì)算得到其對應(yīng)的補(bǔ)償相位，并將補(bǔ)償相位 作為關(guān)系式F2的傳輸相位，計(jì)算得到對應(yīng)的金屬縫隙結(jié)構(gòu)長度； 56、 根據(jù)計(jì)算得到的金屬縫隙結(jié)構(gòu)長度采用關(guān)系式F1計(jì)算得到光子帶隙結(jié)構(gòu)尺寸； S7、按照計(jì)算得到的每個螺旋相位板天線單元的金屬縫隙結(jié)構(gòu)長度和光子帶隙結(jié)構(gòu)尺 寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到最終的螺旋相位板天線。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的超薄軌道角動量螺旋相位板天線的設(shè)計(jì)方法，其特征在于:所 述金屬縫隙結(jié)構(gòu)具體為方形。8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的超薄軌道角動量螺旋相位板天線的設(shè)計(jì)方法，其特征在于:所 述關(guān)系式F1具體為： WC = 0.4*Dx+3.2 化=0.2 蝴 X+1.2 式中，WC、化分別為光子帶隙結(jié)構(gòu)的寬度和長度，Dx為金屬縫隙結(jié)構(gòu)長度。9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的超薄軌道角動量螺旋相位板天線的設(shè)計(jì)方法，其特征在于:所 述關(guān)系式F2具體為： Dx = 4-l.l*cos(陸 i*0.012)-0.6*sin(陸 i*0.012) 式中，Dx為金屬縫隙結(jié)構(gòu)長度，Phi為螺旋相位板天線單元的傳輸相位。10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的超薄軌道角動量螺旋相位板天線的設(shè)計(jì)方法，其特征在于： 每個螺旋相位板天線單元的補(bǔ)償相位&PP根據(jù)W下公式計(jì)算得到：式中，x、y分別為螺旋相位板天線單元的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，1為軌道角動量的階數(shù)，λ為 自由空間波長，f為焦距。
【文檔編號】H01Q3/30GK105977630SQ201610561695
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月15日
【發(fā)明人】崔鐵軍, 師傳波, 李允博, 吳偉
【申請人】東南大學(xué)