CN106887718A - 一种基于超表面相控阵天线产生轨道角动量波束的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超表面相控阵天线产生轨道角动量波束的装置。它包括采用FR‑4材料的圆形介质基板，介质基板上设有8个采用PEC材料的相控阵贴片天线，每个相控阵贴片天线等距离的分布在距离介质基板圆心0.7λ的圆周上，且每个相控阵贴片天线均匀间隔45°；所述的相控阵贴片天线包括固定在介质基板表面的正方形贴片天线和固定在介质基板背面的移相、功率分配器，所述的介质基板内设有金属管，金属管内侧壁设有馈线，且金属管及馈线分别与贴片天线和移相、功率分配器相连。本发明具有体积小、重量轻、成本低廉的特点，而且本发明产生的波束的相位可以均匀地从0变化到2π，且每一个单元的振幅均大于80％。
Description
技术领域
本发明涉及基于超表面相控阵天线产生轨道角动量波束的装置，属于通信领域。
背景技术
轨道角动量(OAM)作为物理学一个重要物理量，自1992年被Allen等人证实后迅速推动了非线性光学、量子光学、原子光学和天文学等多个学科的新发展。与自旋角动量不同，轨道角动量与螺旋形相位波前联系在一起，理论上可取值无穷且彼此正交。在物理学和光通信学科交叉领域，科学家将轨道角动量引入到光通信中，与波长、时隙和偏振等自由度类似，将轨道角动量视为一个新自由度并作为数据信息载体，开展了利用轨道角动量进行光通信的基础理论和关键技术研究。近几年来，利用超表面材料产生轨道角动量(OAM)波束，已成为超材料研究领域的热点和前沿。
超表面(Metasurface)是超材料(Metamaterial)的其二维平面阵列形式，由具有亚波长尺寸的人工“原子”周期或者非周期地排列而成，其厚度远小于工作波长是一种新型的人工电磁媒质。对于超表面结构，人们可以通过自由设计单元结构、单元排列方式、以及单元各向异性，来控制等效媒质的媒质参数，从而实现自然界中不存在或者很难实现的介电常数和/或磁导率，进而控制电磁波。
最早于2011年，由YU等研究组利用超薄单层金属结构超表面材料的相位突变实现对光波的波束整形和传播方向的任意调控，给出了广义折反射定律(斯涅尔折射定律)，并利用V字型周期阵列设计了相位梯度人工微结构超表面，产生了涡旋波束。之后，很多学者开始对人工微结构超表面进行了大量研究。Pu等采用对称的T形周期性结构,成功设计了可以产生0-2π相位变化的超表面单元结构,实现了光束的异常反射。Wei等利用圆形多层金属谐振结构获得透射波的相位连续可调，通过对多层金属谐振结构空间分布合适设计，实现了高效高效率波束调控。孙颜颜等利用费马原理分析研究了相位梯度人工微结构超表面材料的相位突变情况。Zhou研究组利用H形金属结构设计了单层的反射相位梯度超表面,将垂直入射的电磁波耦合为表面电磁波，实现了特定频带内的一维电磁波反射聚焦。Qu课题组采用开口谐振环设计了反射型相位梯度人工微结构超表面,实现了将特定极化的入射电磁波高效地耦合为表面波，并利用同极化反射超表面单元阵列,设计了高效的反射型圆极化相位梯度人工微结构超表面。李永峰等利用圆极化波的同极化反射特性，按照一定空间阵列周期排布,设计了高效的相位梯度人工微结构超表面,实现了对左右旋入射波产生相反的相位梯度的功能。相位梯度人工微结构超表面所具有的特殊的物理特性的物理机理是入射的电磁波与人工微结构超表面结构单元相互作用后形成了局域共振效应，产生的局域共振模式的层间耦合能在亚波长尺度上对入射电磁波进行一定地调控，从而实现对入射波束的波前控制和整形。与最初的人工微结构超材料相比较，这种超薄的二维阵列结构超表面，不仅能够实现负折射、深聚焦、波束偏转和涡旋波束等奇特的物理现象，还具有体积小、易于加工、性能稳定等特点，因此在实际应用中具有很大的发展前景。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于超表面相控阵天线产生轨道角动量波束的装置。本发明具有体积小、重量轻、成本低廉的特点，同时本发明产生波束的相位可以均匀地从0变化到2π，且每一个单元的振幅均大于80％。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：一种基于超表面相控阵天线产生轨道角动量波束的装置，包括采用FR-4材料的圆形介质基板，介质基板上设有8个采用PEC材料的相控阵贴片天线，每个相控阵贴片天线等距离的分布在距离介质基板圆心0.7λ的圆周上，且每个相控阵贴片天线均匀间隔45°；所述的相控阵贴片天线包括固定在介质基板表面的正方形贴片天线和固定在介质基板背面的移相、功率分配器，所述的介质基板内设有金属管，且金属管的内侧壁设有馈线，所述的馈线分别与贴片天线和移相、功率分配器相连。
上述的基于超表面相控阵天线产生轨道角动量波束的装置中，所述的介质基板的厚度为1.6mm。
前述的基于超表面相控阵天线产生轨道角动量波束的装置中，所述的贴片天线的尺寸为6mm×6mm。
前述的基于超表面相控阵天线产生轨道角动量波束的装置中，所述的贴片天线的厚度为0.035mm。
上述的基于超表面相控阵天线产生轨道角动量波束的装置中，所述的工作频段是10GHZ。
前述的基于超表面相控阵天线产生轨道角动量波束的装置中，所述的金属管从上至下依次分为契入在介质基板内的上金属管、位于介质基板下方的中金属管和下金属管，中金属管的外侧设有介质外管，介质外管表面设有多个侧贴片天线；所述的中金属管的内侧设有介质内管，且所述的中金属管的管身间隔开设有耦合槽，在介质内管的内表面且与耦合槽相对应的位置设置有馈线；所述的移相、功率分配器设置在下金属管上，馈线与移相、功率分配器相连。
与现有技术相比，本发明采用相控阵天线，在圆形FR-4介质基板上设置8个PEC材料的相控阵贴片天线，每个相控相控阵贴片天线等距离的分布在距离介质基板圆心0.7λ的圆周上，本发明不仅对介质基板和相控阵贴片天线的材料和厚度尺寸作了筛选，还创造性地提出了全新的相控阵天线的具体结构，在相控阵天线的另一端采用了一种全新的金属管，金属管内侧设有馈线，馈线与移相、功率分配器相连，这样把可调谐的相位和阻抗变化组件集成到超表面材料中形成了一个整体装置，其表面阻抗随着频率的变化可以发生转移，从而在一定的频带产生了可调的反射相移。由于本发明筛选了材料、改进了相控阵贴片天线的具体结构，以及采用了超表面技术，使得所选用的材料在厚度上远小于工作波长的大小，如本装置的厚度为1.67mm远小于工作频率10Ghz的30mm波长，是一个真正意义上的超表面结构，相比现有的波束装置产生了预料不到的有益效果，具有体积小、重量轻、成本低廉的特点，同时本发明产生的具有轨道角动量的波束的相位可以均匀地从0变化到2π，且每一个单元的振幅均大于80％。
为了产生模式数l＝1和l＝2的具有OAM的微波波束，我们在贴片天线的移相、功率分配器端加载相同振幅但相邻贴片天线之间的具有设定好的连续相移的信号，这样就能产生具有模式数l＝1和l＝2的OAM的微波波束。如附图3-6所示，我们通过全波仿真CST微波软件设计和仿真得到的具有不同轨道角动量模式数l＝1和l＝2的微波波束的强度分布图和相位分布图。附图7为本发明得到的是具有不同轨道角动量模式数l＝1和l＝2的微波波束的径向分别情况。从上述附图可以看出，通过超表面相控阵天线阵列，本发明能产生具有轨道角动量波束。相比其他具有轨道角动量的波束生成方法，且本发明重量轻、外形小，低成本，易制造，在通信领域具有巨大的应用潜力。且移相、功率分配器可以根据产生不同模式轨道角动量的要求进行任意的相位移相功能，同时可以具有功率均分功能。
进一步地，申请人将金属管从上至下依次分为上金属管、中金属管和下金属管，上金属管契入介质基板中，下金属管外固定有移相、功率分配器，移相、功率分配器产生信号，经金属管向贴片天线传输信号，并发出轨道角动量波束。在中金属管的外侧设有介质外管，中金属管的内侧设有介质内管，在介质外管的外侧设有多个侧贴片天线，多个侧贴片天线形成天线阵；在介质内管的内侧设有馈线，馈线与移相、功率分配器相连，该结构的运行原理是移相、功率分配器产生信号，且在指定逻辑规则下向馈线传输信号，馈线在介质内管、耦合槽、介质外管的结构下，形成耦合馈电天线阵，向侧贴片天线传输信号，侧贴片天线再向外发出信号。由此可见，本发明不仅可以向金属管的轴向方向经由贴片天线产生轨道角动量波束，也可以通过金属管的径向方向经由侧贴片天线产生轨道角动量波束，应用功能以及范围大大提高。
附图说明
图1是本发明的立体结构示意图；
图2是本发明的仰视结构示意图；
图3是实施例1中金属管的结构示意图；
图4是实施例2中本发明的结构图；
图5是中金属管的结构示意图；
图6是具有不同轨道角动量模式数l＝1的微波波束的强度分布图；
图7是具有不同轨道角动量模式数l＝1的微波波束的相位分布图；
图8是具有不同轨道角动量模式数l＝2的微波波束的强度分布图；
图9是具有不同轨道角动量模式数l＝2的微波波束的相位分布图；
图10具有不同轨道角动量模式数l＝1和l＝2的微波波束的径向分别情况；
图11是外介质管半径分别为60mm和120mm的波束的方向图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明。
实施例：一种基于超表面相控阵天线产生轨道角动量波束的装置，如附图1-图3所示，包括采用FR-4(环氧玻璃)材料且厚度为1.6mm的圆形介质基板1，介质基板1上设有8个采用PEC(氯化聚乙烯)材料的相控阵贴片天线2，每个相控阵贴片天线2等距离的分布在距离介质基板1圆心0.7λ的圆周上，且每个相控阵贴片天线2均匀间隔45°；所述的相控阵贴片天线2包括固定在介质基板1表面的正方形贴片天线3和固定在介质基板背面的移相、功率分配器4，所述的贴片天线3的尺寸为6mm×6mm，厚度为0.035mm。所述的介质基板1内设有金属管5，且金属管5分别与贴片天线3和移相、功率分配器4相连。其中每个贴片天线通过金属管、馈线和同轴电缆与基板背面的移相、功率分配器一一相连，移相、功率分配器再分别加在每一个贴片天线上。本发明产生的具有轨道角动量的波束的相位可以均匀地从0变化到2π，而每一个单元的振幅均大于80％。而其他有关超材料装置调控相位的同时，反射一般都小于70％，由此我们可以利用该结构实现高效的波束偏转。为了产生模式数l＝1和l＝2的具有OAM的微波波束，我们在贴片天线的移相、功率分配器端加载相同振幅但相邻贴片天线之间的具有设定好的连续相移的信号，这样就能产生具有模式数l＝1和l＝2的OAM的微波波束。如附图6-9所示，我们通过全波仿真CST微波软件设计和仿真得到的具有不同轨道角动量模式数l＝1和l＝2的微波波束的强度分布图和相位分布图。附图10为本发明得到的是具有不同轨道角动量模式数l＝1和l＝2的微波波束的径向分别情况。从上述附图可以看出，通过超表面相控阵天线阵列，本发明能产生具有轨道角动量波束。相比其他具有轨道角动量的波束生成方法，且本发明重量轻、外形小，低成本，易制造，在通信领域具有巨大的应用潜力。
实施例2：如附图4和附图5所示，所述的金属管5从上至下依次分为契入在介质基板1内的上金属管6、位于介质基板1下方的中金属管7和下金属管8，中金属管7的外侧设有介质外管9，介质外管9表面设有多个侧贴片天线10；所述的中金属管7的内侧设有介质内管11，且所述的中金属管7的管身间隔开设有耦合槽12，在介质内管11的内表面且与耦合槽12相对应的位置设置有馈线13；所述的移相、功率分配器4设置在下金属管8上，馈线13与移相、功率分配器4相连。申请人将金属管从上至下依次分为上金属管、中金属管和下金属管，上金属管契入介质基板中，下金属管外固定有移相、功率分配器，移相、功率分配器产生信号，经金属管向贴片天线传输信号，并发出轨道角动量波束。在中金属管的外侧设有介质外管，中金属管的内侧设有介质内管，在介质外管的外侧设有多个侧贴片天线，多个侧贴片天线形成天线阵；在介质内管的内侧设有馈线，馈线与移相、功率分配器相连，该结构的运行原理是移相、功率分配器产生信号，且在指定逻辑规则下向馈线传输信号，馈线在介质内管、耦合槽、介质外管的结构下，形成耦合馈电天线阵，向侧贴片天线传输信号，侧贴片天线再向外发出信号。由此可见，本发明不仅可以向金属管的轴向方向经由贴片天线产生轨道角动量波束，也可以通过金属管的径向方向经侧贴片天线产生轨道角动量波束，应用功能以及范围大大提高。图11为外介质管半径分别为60mm和120mm的天线方向图，从图11可以看出侧贴片天线可以成功地向金属管径向方向发送信号，且天线的辐射方向图随着外介质管的半径的减小，波瓣展宽，增益下降，同时天线的输入阻抗和谐振频率也都发生了变化。
Claims (6)
1.一种基于超表面相控阵天线产生轨道角动量波束的装置，其特征在于：包括采用FR-4材料的圆形介质基板(1)，介质基板(1)上设有8个采用PEC材料的相控阵贴片天线(2)，每个相控阵贴片天线(2)等距离的分布在距离介质基板(1)圆心0.7λ的圆周上，且每个相控阵贴片天线(2)均匀间隔45°；所述的相控阵贴片天线(2)包括固定在介质基板(1)表面的正方形贴片天线(3)和固定在介质基板背面的移相、功率分配器(4)，所述的介质基板(1)内设有金属管(5)，金属管(5)的内侧壁设有馈线(13)，所述的馈线(13)分别与贴片天线(3)和移相、功率分配器(4)相连。
2.根据权利要求1所述的基于超表面相控阵天线产生轨道角动量波束的装置，其特征在于：所述的介质基板(1)的厚度为1.6mm。
3.根据权利要求1所述的基于超表面相控阵天线产生轨道角动量波束的装置，其特征在于：所述的贴片天线(3)的尺寸为6mm×6mm。
4.根据权利要求1所述的基于超表面相控阵天线产生轨道角动量波束的装置，其特征在于：所述的贴片天线(3)的厚度为0.035mm。
5.根据权利要求1所述的基于超表面相控阵天线产生轨道角动量波束的装置，其特征在于：所述的工作频段是10GHZ。
6.根据权利要求1所述的基于超表面相控阵天线产生轨道角动量波束的装置，其特征在于：所述的金属管(5)从上至下依次分为契入在介质基板(1)内的上金属管(6)、位于介质基板(1)下方的中金属管(7)和下金属管(8)，中金属管(7)的外侧设有介质外管(9)，介质外管(9)表面设有多个侧贴片天线(10)；所述的中金属管(7)的内侧设有介质内管(11)，且所述的中金属管(7)的管身间隔开设有耦合槽(12)，在介质内管(11)的内表面且与耦合槽(12)相对应的位置设置有馈线(13)；所述的移相、功率分配器(4)设置在下金属管(8)上，馈线(13)与移相、功率分配器(4)相连。
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