CN107394408A - 基于全息张量阻抗表面的涡旋电磁波束天线及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于全息张量阻抗表面的涡旋电磁波束天线及其实现方法。该涡旋电磁波天线包括介质基板，印制在该介质基板上表面并作为天线全息阻抗表面结构的全息金属贴片，设置在该介质基板下表面的金属地板以及设置在该介质基板中心并用于激励该涡旋电磁波束天线的馈源单极子。其中，全息金属贴片由印刷在介质基板上表面的一系列不同尺寸中间开缝的圆形金属贴片组成。在馈源单极子的激励下，表面波在全息张量阻抗表面结构中传播，并在不连续处产生辐射，产生涡旋电磁波。本发明涡旋电磁波天线基于全息张量阻抗表面，能根据所需产生的涡旋电磁波函数，实现不同轨道角动量模式的调制，形成任意形式的涡旋电磁波。

Description

基于全息张量阻抗表面的涡旋电磁波束天线及其实现方法

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其是涉及基于全息张量阻抗表面的涡旋电磁 波束天线及其实现方法。

背景技术

携带轨道角动量的电磁波，被称之为涡旋电磁波，相对于平面电磁波而言， 其最大的特征是具有螺旋的等相位面，并且随着电磁波束的传输螺旋前进。关 于轨道角动量的研究，最早是在光学领域，1992年L.Allen等人证明携带有 相位因子的拉盖尔高斯光束携带有电磁轨道角动量，其中l为轨道角动 量模式。从那时起，轨道角动量的应用得到了广泛的研究与发展。在光学与光 子学领域，人们利用涡旋光的螺旋形空间相位特征，将携带有轨道角动量的涡 旋光应用在成像、光通信、微粒操纵以及微型加工等方面。轨道角动量的概念 引入到射频、微波和毫米波波段，基于轨道角动量复用的涡旋电磁波可以增加 信道容量、提高频谱利用率。

由涡旋电磁波的螺旋相位结构可以得知，涡旋电磁波产生的基本原理就是 要在与传播方向垂直的横截面上构造这种相位分布。涡旋电磁波的产生方法主 要分为以下几种：阵列天线、螺旋相位板、超材料表面、行波天线、漏波天线、 贴片天线、介质谐振天线、Rotman透镜、全息光栅等。其中，比较常用的有阵 列天线和螺旋相位板方法。虽然涡旋电磁波的产生方法很多，但不能同时产生 多种轨道角动量模态的天线。

与光学全息的原理类似，微波全息以及基于全息原理的全息阻抗表面和全 息天线在设计思路上延续了光学全息的方法，即利用微波全息干涉图样记录下 目标场与源场的干涉图样，再通过源场照射微波全息表面就可以得到所需目标 场。全息张量阻抗表面作为电磁表面的一种，其具有易于共形、剖面低、易于 加工集成等优良特性，为电磁波的精确调控提供了新的可能，在军事通信等领 域有广阔应用前景。

全息阻抗表面包括两类，标量阻抗表面和张量阻抗表面。目前，全息阻抗 表面已经可以用来控制电磁波束辐射方向、极化、波束宽度以及形状等。例如 请求号为CN201310323806.X的中国专利公开了一种基于全息原理和阻抗表面的 低剖面锥形出射方向天线，可实现锥状波束；又例如请求号为CN201310292298.3 的中国专利公开了一种基于全息阻抗表面的多波束天线设计方法，可实现多波 束；再例如请求号为CN201410343597.X的中国专利公开了全息阻抗表面共形天 线，实现了共形天线的设计，这几种天线多采用标量表面阻抗，其可变参量少， 仅能对电磁波束的方向性等因素进行调制，其调制局限。

发明内容

本发明基于全息张量阻抗表面，提出了一种基于全息张量阻抗表面的涡旋 电磁波束天线及其实现方法。该方法可以实现任意轨道角动量模式的涡旋电磁 波束产生，为当前基于轨道角动量模式复用的涡旋电磁波通信收发装置提供了 一种新的选择。

为实现上述目的，本发明基于全息张量阻抗表面，利用全息调制技术来产 生涡旋电磁波。其采用的技术方案如下：

基于全息张量阻抗表面的涡旋电磁波束天线，包括介质基板，印制在该介 质基板上表面并作为天线全息表面结构的全息金属贴片，设置在该介质基板下 表面的金属地板，以及设置在该介质基板中心、用于激励该涡旋电磁波天线的 馈电单极子。其中，全息金属贴片由印刷在接地介质基板上表面的一系列不同 尺寸中间开缝的圆形金属贴片组成。

优选地，馈电单极子采用SMA接头结构，介质基板为Taconic RF-60介质 板，其介电常数为6.15，半径为183mm，高为1.27mm，馈电单极子半径为 0.652mm，高度为4mm。其中，SMA接头用于激励该涡旋电磁波天线产生微波 全息原理所需的参考波。

具体地，涡旋电磁波束天线实现方法包括如下步骤：

(Ⅰ)提取任意张量阻抗单元的等效表面阻抗：

(1)本发明采用张量阻抗单元，其具体结构为中间开缝的张量圆形金属贴 片结构。其参数表征及具体含义为：圆形贴片间距，g；缝隙角度，θ_s；

(2)在高频结构仿真软件中建模仿真，对开缝的圆形贴片单元加上周期边 界条件，在特征模求解器下提取单元有效表面阻抗。由于其表面阻抗值的大小 随着表面波的传播方向变化而变化，即各向异性，无法通过标量阻抗的定义来 简单的表示张量阻抗表面，因此，我们通过等效标量阻抗的方法来代替最小二 乘法。通过高频结构仿真，随着表面波传播方向的变化，等效标量阻抗曲线始 终存在一个长轴和一个短轴，而且长轴与短轴相互垂直，长轴对应阻抗最大值 Z_max，短轴对应阻抗最小值Z_min，只需求得所需的长轴对应阻抗最大值Z_max即可。 在这基础上，我们改变缝隙角度θ_s和贴片间距g，建立圆形贴片间距g与长轴对 应阻抗最大值Z_max的关系，然后通过Matlab拟合仿真数据得到圆形贴片间距g与 Z_max的关系表达式为：

Z_max＝-165.5*g³+502.06*g²-557.1*g+369.87 (1-1)

缝隙角度θ_s与θ_max的关系表达式为：

θ_max＝θ_s (1-2)

(Ⅱ)联立参考波和带轨道角动量模式目标波，获得表面阻抗综合：

(1)参考波利用馈源单极子结构产生，其表面电流为：

Ψ_surf＝J_surf＝e^-jknr (1-3)

其中，e为指数函数，k为自由空间电磁波传播常数，r为电磁波离坐标原 点的距离，n为表面有效折射率，r为电磁波离馈源单极子的距离，j为复数的虚 数单位；

(2)目标波是携带轨道角动量模式为l的涡旋电磁波Ψ_rad，其表达为：

其中，e为指数函数，k为自由空间电磁波传播常数，j为复数的虚数单位， 为方位角，θ为涡旋电磁波束辐射角，l为轨道角动量模式，n为表面有效折 射率，r为电磁波离馈源单极子的距离；

(3)建立参考波、目标波与任意张量阻抗表面单元阻抗Z关系，其表达为：

其中，E_x和E_y为E_rad在x和y方向的电场分量；Z_xx、Z_xy、Z_yx和Z_yy为张量 阻抗表面单元阻抗Z在各个方向的分量；J_x和J_y为J_surf在x和y方向的电流分量；

根据能量守恒定律，任意张量阻抗表面单元的阻抗Z为反Hermite矩阵 (Hermite矩阵：矩阵中每一个第i行第j列的元素都与第j行第i列的元素的共 轭相等)，同时互易性原理要求Z矩阵的各个分量必须是纯虚数，获得：

Z_xy＝Z_yx (1-6)

(4)由微波全息原理，利用参考波和目标波干涉获得全息调制表面阻抗 Z(x)，其表达式为：

其中，X为表面的平均阻抗值，M为调制深度，x为阻抗表面上任意一点的 位置；

对于张量表面阻抗而言，其具体全息张量表面阻抗调制表达式为：

其中，X为等效标量阻抗的平均阻抗值，M为表面阻抗调制深度，Z(x)为 阻抗表面上任意一点x位置处的阻抗值，E_rad和J_surf分别为目标场电场和表面电 流，上标代表厄尔米特共轭；

(6)联立(1-3)～(1-8)获得全息调制表面张量阻抗的各个分量，其表达 式为：

其中，X为等效标量阻抗的平均阻抗值，M为表面阻抗调制深度，θ为涡旋 电磁波束辐射角，r为电磁波离馈源单极子的距离，γ′和γ″为中间参数；

中间参数γ′和γ″表示为：

其中，k为自由空间电磁波传播常数，为方位角，θ为涡旋电磁波束辐射 角，l为轨道角动量模式，n为表面有效折射率，r为电磁波离馈源单极子的距 离；

(Ⅲ)将等效表面阻抗运用于表面阻抗综合，获得全息张量阻抗表面结构， 即将步骤(II)中获得的张量阻抗各个分量带入归一化等效标量表面阻抗。

(1)等效标量表面阻抗公式为：

其中，Z₀为自由空间波阻抗；k_z为z方向的波数；θ_k为表面波传播方向，k 为自由空间电磁波传播常数，j为复数的虚数单位，Z_xx、Z_xy、Z_yx和Z_yy为圆形金 属贴片张量阻抗Z在各个方向的分量；

(2)将获得的张量阻抗各个分量带入(1-11)，求出等效最大阻抗Z_max和最 大阻抗方向θ_max，并联立(1-1)和(1-2)反演出本发明的涡旋电磁波束天线物 理结构。

(Ⅳ)在上述全息表面中心用SMA单极子为本发明天线馈电。馈源单极子 产生的类柱面波表面电流J_surf＝e^-jknr，经过本发明中全息结构不连续处产生漏波 辐射，从而得到目标辐射场。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明创新地将全息张量阻抗调制表面用于控制电磁波的轨道角动 量，实现不同轨道角动量模式的调制，形成任意形式的涡旋电磁波，其设计灵 活度较高。

(2)本发明的涡旋电磁波束天线激励方式简单，在馈源单极子的激励下， 其激励起的表面电流和张量阻抗调制表面相互作用，产生任意轨道角动量模式 的涡旋电磁波，不仅如此，该天线所产生的涡旋电磁波中间呈现凹陷，提高圆 极化涡旋电磁波的增益性。

(3)本发明中利用张量阻抗表面单元，设计自由度大，能够精确控制轨道 角动量模式，有利于得到任意模式的涡旋电磁波束。与其他涡旋电磁波束产生 装置相比，本发明的涡旋电磁波束天线采用印制中间开缝的圆形金属贴片，其 剖面低、易于与其他装置集成。因此基于全息张量阻抗表面的涡旋电磁波束天 线，不仅激励方式简单、设计灵活度高，还能产生任意模式的涡旋电磁波束。

附图说明

图1为全息阻抗表面设计流程图。

图2为本发明所采用的张量阻抗表面单元结构示意图。

图3为轨道角动量模式为1的全息涡旋电磁波天线结构图。

图4为轨道角动量模式为1的全息涡旋电磁波天线结构方向上方5个波长 处电场相位分布图。

图5为轨道角动量模式为1的全息涡旋电磁波天线的S参特性图。

图6为轨道角动量模式为1的全息涡旋电磁波天线的三维远场辐射方向图。

图7为轨道角动量模式为2的全息涡旋电磁波天线结构图。

图8为轨道角动量模式为2的全息涡旋电磁波天线结构方向上方5个波长 处电场相位分布图。

图9为轨道角动量模式为2的全息涡旋电磁波天线的S参数特性图。

图10为轨道角动量模式为2的全息涡旋电磁波天线的三维远场辐射方向 图。

上述附图中，附图标记对应的部件名称如下：

1-全息金属贴片，2-介质基板，3-全息互补地，4-馈源单极子。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不 限于下列实施例。

如图1所示，基于全息张量阻抗表面的涡旋电磁波束天线的实现方法，通 过提取任意张量阻抗单元的等效表面阻抗，并结合表面阻抗综合，获取全息张 量阻抗表面结构，最后利用馈电单极子激励获得涡旋电磁波束，实现涡旋电磁 波验证。

如图2所示，为本发明所采用的张量阻抗单元，其具体结构包括介质基板2， 印制在该介质基板2上表面并作为天线全息表面结构的中间开缝的圆形金属贴 片1，以及设置在该介质基板2下表面的金属地板3。

基于全息张量阻抗表面的涡旋电磁波束天线实现方法，本发明分别给出了 两个实施例，其涡旋电磁波束天线具体结构分别如图3和图7所示，包括介质 基板2，印制在该介质基板2上表面并作为天线全息表面结构的全息金属贴片1， 设置在该介质基板2下表面的金属地板3，以及设置在该介质基板2中心、用于 激励该天线的馈电单极子4。其中，全息金属贴片1由印刷在介质基板2上表面 的一系列不同尺寸中间开缝的圆形金属贴片组成。馈电单极子4采用SMA接头 结构，半径为0.652mm，高度为4mm，用于激励该涡旋电磁波天线产生微波全 息原理所需的参考波。

该天线介质基板2为Taconic RF-60介质板，其介电常数为6.15，半径为183mm，高为1.27mm。

实施例1

如图3所示，本实施例为轨道角动量模式为1的全息涡旋电磁波天线，获 取其结构包括如下步骤：

(1)提取任意张量阻抗单元的等效表面阻抗，圆形贴片间距g与Z_max的关 系表达式为：

Z_max＝-165.5*g³+502.06*g²-557.1*g+369.87 (2-1)

缝隙角度θ_s与θ_max的关系表达式为：

θ_max＝θ_s (2-2)

(2)本实施例涡旋电磁波天线利用馈电单极子4激励，产生参考波。馈源 单极子产生的表面电流表示为：

(3)本实施例天线工作频率为15GHz，目标辐射波是l＝1阶轨道角动量模 式的圆极化涡旋电磁波，目标波表示为：

(4)结合全息张量表面阻抗调制公式：

可以计算得到，每个分量的张量阻抗为：

其中，X是等效标量阻抗的平均阻抗值，选取为175欧姆；M是表面阻抗 调制深度，选取为110欧姆；

中间参数γ′和γ″表示为：

(5)根据(2-6)得到的张量阻抗各个分量，代入到归一化等效标量表面阻 抗公式：

求得等效最大阻抗Z_max和最大阻抗方向θ_max，并利用开缝圆形贴片间距g与 最大阻抗Z_max的关系(2-1)和缝隙角度θ_s与最大阻抗方向θ_max的关系(2-2)，反 演轨道角动量模式为1的全息涡旋电磁波天线结构。

(6)利用馈电单极子4激励获得涡旋电磁波束。

实施例2

如图7所示，本实施例为轨道角动量模式为2的全息涡旋电磁波天线，其 设计过程与实施例1一致，仅轨道角动量模式l数值不同，具体体现如下：

(1)本实施例天线工作频率为15GHz，目标辐射波是l＝2阶轨道角动量模 式的圆极化涡旋电磁波，目标波表示为：

中间参数γ'和γ”表示为：

将(2-9)和(2-10)分别代替(2-4)和(2-7)代入到归一化等效标量表面 阻抗公式，求得等效最大阻抗Z_max和最大阻抗方向θ_max，并利用开缝圆形贴片间 距g与最大阻抗Z_max的关系(2-1)和缝隙角度θ_s与最大阻抗方向θ_max的关系(2-2)， 反演轨道角动量模式为2的全息涡旋电磁波天线结构。

(2)利用馈电单极子4激励获得涡旋电磁波束。

本发明的优点可以通过以下针对实施例的仿真进一步说明：

图4为利用全波仿真软件CST Microwave Studio对本发明实施例1中距离 轨道角动量模式为1的全息涡旋电磁波天线结构法向5个波长处的电场相位进 行仿真，得到电场相位图。图8为利用全波仿真软件CST Microwave Studio对 本发明实施例2中距离轨道角动量模式为2的全息涡旋电磁波天线结构法向5 个波长处的电场相位进行仿真，得到电场相位图。从两幅图中可以看出，本发 明方法可有效产生多模态的涡旋电磁波。

图5为利用全波仿真软件CST Microwave Studio对本发明实施例1中轨道 角动量模式为1的全息涡旋电磁波天线的S参数进行仿真。图9为利用全波仿 真软件CSTMicrowave Studio对本发明实施例2中轨道角动量模式为2的全息 涡旋电磁波天线的S参数进行仿真。从两幅图中可以得知两个实施例天线均匹 配良好。

图6为利用全波仿真软件CST Microwave Studio对本发明实施例1轨道角 动量模式为1的全息涡旋电磁波天线的远场辐射特性进行仿真，得到三维远场 辐射方向图。图10为利用全波仿真软件CST Microwave Studio对本发明实施例 2中轨道角动量模式为2的全息涡旋电磁波天线的远场辐射特性进行仿真，得到 三维远场辐射方向图。从两幅图中可以看出，所产生的涡旋电磁波均变现为中 间凹陷，这表明本发明方法可有效产生高增益的圆极化涡旋电磁波。

进一步地，由于携带不同整数模式轨道角动量的涡旋电磁波之间相互正交， 因此，本发明也可应用于产生任意轨道角动量模式的涡旋电磁波。

上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但 凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化， 均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于全息张量阻抗表面的涡旋电磁波束天线，包括介质基板(2)，其特征在于，还包括印制在该介质基板(2)上表面并作为天线全息表面结构的全息金属贴片(1)，设置在该介质基板(2)下表面的金属地板(3)，以及设置在该介质基板(2)中心、用于激励该涡旋电磁波束天线的馈电单极子(4)；所述全息金属贴片(1)由印刷在介质基板(2)上表面的一系列不同尺寸中间开缝的圆形金属贴片组成。

2.根据权利要求1所述的基于全息张量阻抗表面的涡旋电磁波束天线，其特征在于，所述任意圆形金属贴片结构由表面阻抗最大阻抗Z_max值与开缝圆形贴片间距g反演所得，其公式为：

Z_max＝-165.5*g³+502.06*g²-557.1*g+369.87

所述圆形金属贴片开缝隙角度θ_s与最大阻抗方向θ_max取值相等。

3.根据权利要求2所述的基于全息张量阻抗表面的涡旋电磁波束天线，其特征在于，所述馈电单极子(4)采用SMA接头结构，用于激励该涡旋电磁波天线产生微波全息原理所需的参考波。

4.根据权利要求3所述的基于全息张量阻抗表面的涡旋电磁波束天线，其特征在于，所述介质基板(2)为Taconic RF-60介质板，其介电常数为6.15，半径为183mm，高为1.27mm；所述馈电单极子(4)半径为0.652mm，高度为4mm。

5.基于全息张量阻抗表面的涡旋电磁波束天线实现方法，其特征在于，

包括以下步骤：

S1，提取任意张量阻抗单元的等效表面阻抗；

S2，联立参考波和带轨道角动量模式目标波，获得表面阻抗综合；

S3，将等效表面阻抗运用于表面阻抗综合，获得全息张量阻抗表面结构；

S4，通过馈电单极子的激励获得涡旋电磁波束。