CN109888510A - 一种涡旋型的多层超表面阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种涡旋型的多层超表面阵列天线，该阵列天线由两个以上移相单元排列组成的阵列相位板；所述移相单元包括包括上下连接的上介电层和下介质层所述上介质层的上表面、上介质层与下介质层的连接面、下介质层的底面均设有金属贴片；所述的金属贴片由外圆环和内圆环组成；所述的阵列相位板按逆时针划分第一象限至第八象限，每个象限内金属贴片的外圆环的内半径相同，且外圆环的内半径随第一象限至第八象限依次减小。本发明具有非常优越的入射波透射涡旋效果，透射效率可以达到70％以上，并且具有很好的能量传输效率；此外本发明结构简单，移相单元的单位面积利用率高，而且具有制造工艺简单、成本低廉的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种涡旋型的多层超表面阵列天线，属于通信领域。
背景技术
电磁波的角动量包含自旋角动量和轨道角动量。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。携带轨道角动量的电磁波与普通平面波不同，它的波束中心强度为零，相位波前呈现螺旋状的特性，也被称为涡旋电磁波。涡旋电磁波以模态数m来表示其相位波前的旋转程度，理论上涡旋电磁波的模态数m有无限多个，且不同模态之间具有正交性，利用涡旋电磁波的这一特性，可以极大地提高通信系统的频谱利用率和通信容量。目前用天线阵列设计来产生涡旋波束将是一种比较可行的方法，阵列天线是一类通过调控各阵列单元辐射强度、相位延迟来进行波束扫描的阵列天线，具有探测距离远、调节速度快等优点。中国专利申请公布号CN107706518A公开了一种螺旋形涡旋电磁波天线阵，包括：螺旋形结构的天线阵、天线阵馈电网络。其特征主要在于：螺旋形结构的天线阵采用螺旋形结构的介质集成波导天线作为天线单元，以单元自身的相位差形成涡旋电磁波。天线馈电网络模块采用三个一分二功分对螺旋形结构的天线阵进行等幅同相馈电。该技术方案可以通过螺旋结构的单元结构实现各个单元之间的相位差以形成涡旋电磁波，但该技术方案需要精确的将单元结构排列成螺旋状，使得其生产制造比较麻烦；而且电磁波波束会有较大的扩散效果，这一扩散效果导致了天线波束增益的降低，降低了电磁波的涡旋效果，对与无线通信极为不利。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种涡旋型的多层超表面阵列天线。本发明具有非常优越的入射波透射涡旋效果，透射效率可以达到70％以上，在能量传输上具有更大的传输效率；此外本发明结构简单，移相单元的单位面积利用率高，而且具有制造工艺简单、成本低廉的优点。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：一种涡旋型的多层超表面阵列天线，该阵列天线由两个以上移相单元排列组成的阵列相位板；所述移相单元包括包括上下连接的上介电层和下介质层，所述上介质层和下介质层均为边长为3mm正方形；所述上介质层的上表面、上介质层与下介质层的连接面、下介质层的底面均设有金属贴片；所述的金属贴片由外圆环和内圆环组成，外圆环与内圆环的圆心与正方形的中心重合；所述外圆环的外圆与正方形相切；所述的阵列相位板按逆时针划分有第一象限、第二象限、第三象限、第四象限、第五象限、第六象限、第七象限和第八象限，每个象限内金属贴片的外圆环的内半径相同，且外圆环的内半径随第一象限至第八象限依次减小。
上述的涡旋型的多层超表面阵列天线，所述的阵列天线为正方形，由6×6个移相单元组成。
前述的涡旋型的多层超表面阵列天线，所述第一象限、第三象限、第五象限和第七象限中的移相单元的数量相等；所述第二象限、第四象限、第六象限和第八象限中的移相单元的数量相等。
前述的涡旋型的多层超表面阵列天线，所述第一象限、第三象限、第五象限和第七象限中的移相单元的数量为6个；所述第二象限、第四象限、第六象限和第八象限中的移相单元的数量为3个。
前述的涡旋型的多层超表面阵列天线，所述第一象限至第八象限中移相单元上的金属贴片的外圆环的内半径分别为1.4mm、1.347mm、1.121mm、0.997mm、0.924mm、0.868mm、0.793mm、0.732mm。
前述的涡旋型的多层超表面阵列天线，所述外圆环的内半径是内圆环的外半径的2倍。
前述的涡旋型的多层超表面阵列天线，所述内圆环的内半径为0.1mm。
前述的涡旋型的多层超表面阵列天线，所述上介电层和下介质层的介电常数均为2.0，厚度均为0.8mm。
前述的涡旋型的多层超表面阵列天线，所述金属贴片的厚度为0.035mm。
与现有技术相比，本发明对移相单元的结构作了创造性的改进，由上下连接的上介电层和下介质层构成移相单元的主体，并在上介质层的上表面、上介质层与下介质层的连接面、下介质层的底面均设置金属贴片；金属贴片由外圆环和内圆环组成，且外圆环与内圆环的圆心与正方形上介质层或下介质层的中心重合；且外圆环的外半径与正方形相切，外圆环的内半径是内圆环的外半径的2倍，内圆环的内半径为0.1mm，并以此移相单元按照一定规律排列成阵列天线，本发明采用的外圆环和内圆环的形式，提高了入射波的涡旋效果，由于理论上涡旋电磁波的模态数有无限多个，且不同模态之间具有正交性，利用涡旋电磁波的这一特性，可以极大地提高通信系统的频谱利用率和通信容量，从而在能量传输上具有更大的传输效率，最终提高天线波束的增益。本发明降低了移相单元的制造难度，其加工工艺简化，大大的降低了生产成本。并且以移相单元为基础来按照一定规律进行排列组合，组合后形成的阵列天线的透射效率可以达到70％以上。此外，申请人还对移相单元的各部分在形状和尺寸上作了优选，优选后的结构进一步提高了涡旋效果和透射效率，在能量传输上具有很好的传输效率。
附图说明
图1是阵列天线的结构示意图；
图2是移相单元的立体结构示意图；
图3是移相单元的主视图；
图4是阵列相位板象限区域划分示意图；
图5是相位变化示意图；
图6是阵列天线A的波导口入射条件下电场Ez分布图；
图7是阵列天线A的波导口入射条件下场分布对应的涡旋相位图；
图8是阵列天线A的波导口入射条件下电场Ey分布图；
图9是阵列天线B的波导口入射条件下电场Ez分布图；
图10是阵列天线B的波导口入射条件下场分布对应的涡旋相位图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例1：一种涡旋型的多层超表面阵列天线，如附图1所示，该阵列天线由两个以上移相单元15排列组成的阵列相位板6；如图2所示，所述移相单元15包括上下连接的上介电层1和下介质层2，所述上介电层1和下介质层2的介电常数均为2.0，可采用二氧化硅,厚度均为0.8mm，所述上介质层1和下介质层2均为边长p＝3mm的正方形；上介质层1和下介质层2的四个侧面齐平；所述上介质层1的上表面、上介质层1与下介质层2的连接面、下介质层2的底面均设有金属贴片3；所述金属贴片3的厚度为0.035mm，金属贴片3可选取金、银等金属材料；所述的金属贴片3由外圆环4和内圆环5组成，外圆环4与内圆环5的圆心与正方形的中心重合；所述外圆环4的外圆与正方形相切；如图3所示，所述外圆环4的内半径是内圆环5的外半径的2倍，即a＝2b。
为了实现对透射波波前准确控制和入射平面波的散射问题，我们通过阵列天线来研究，该阵列天线为正方形，且共由36个移相单元拼接而成阵列相位板6，如图4所示，所述的阵列相位板6以黑色粗线划分区域，按逆时针划分有第一象限7、第二象限8、第三象限9、第四象限10、第五象限11、第六象限12、第七象限13和第八象限14，每个象限内金属贴片3的外圆环4的内半径相同，且外圆环4的内半径随第一象限7至第八象限14依次减小。所述第一象限7、第三象限9、第五象限11和第七象限13中的移相单元的数量为6个；所述第二象限8、第四象限10、第六象限12和第八象限14中的移相单元的数量为3个。所述的第一象限7中包含的移相单元有6a、5b、6b、4c、5c、6c；所述的第二象限8中包含的移相单元有4a、5a、4b；所述的第三象限9中包含的移相单元有1a、2a、3a、2b、3b、3c；所述的第四象限10中包含的移相单元有1b、1c、2c；所述的第五象限11中包含的移相单元有1d、2d、3d、1e、2e、1f；所述的第六象限12中包含的移相单元有3e、2f、3f；所述的第七象限13中包含的移相单元有4d、4e、5e、4f、5f、6f；所述的第八象限14中包含的移相单元有5d、6d、6e。
经申请人反复试验、筛选和总结，金属贴片3的外圆环4的内半径作为变量a，且随第一象限至第八象限排列依次分别为1.4mm、1.347mm、1.121mm、0.997mm、0.924mm、0.868mm、0.793mm、0.732mm，金属贴片3的内圆环5的外半径则为0.7mm、0.673mm、0.56mm、0.499mm、0.462mm、0.434mm、0.397mm、0.366mm。上述的排列结构可以使透射相位变化覆盖[0°，360°]，使得透射波的相位从0均匀的变化到2π。表1是随金属贴片3的外圆环4的内半径a变化的相位变化表，且利用CST进行仿真，两个波导口分别距离单位结构5mm以及-5mm，经过仿真其图如附图5所示，单位结构在a由0.7变为1.4(b由0.35变为0.7)的过程中，在32Ghz时相位均匀变，从由表1和图5从可以看出，当a变化时，相邻相位之间变化为相位变化非常均匀。
表1
申请人对实施例中的阵列天线作了试验，利用CST场监视器，在该结构Z面以及Y面分别加入电场监视器，附图6是波导口入射条件下电场Ez分布图，附图7是波导口入射条件下场分布对应的涡旋相位图，附图8是对应波导口入射条件下电场Ey分布图，从图6-图8中可以看出最小场强的位置大致出现在图中(0,0)坐标处，且中间能量最小，形成了一个类似甜甜圈状的涡旋中心，波束涡旋时扩散效果不明显，且涡旋效果好，由于理论上涡旋电磁波的模态数有无限多个，且不同模态之间具有正交性，利用涡旋电磁波的这一特性，可以极大地提高通信系统的频谱利用率和通信容量，从而在能量传输上具有更大的传输效率，最终提高天线波束的增益。
申请人还对实施例中涡旋型的多层超表面阵列天线中的移相单元结构参数进行多次调整试验，得到优选的结构参数，其中内圆环5的内半径设置成0.1mm，将金属贴片3的厚度设置成0.035mm，将上介质层和下介质层的厚度均设置成0.8mm，将内圆环5的内半径为0.1mm。随后将所有相位排布完成。申请人再次利用CST场监视器，在该结构Z面以及Y面分别加入电场监视器，得到如附图9所示的波导口入射条件下电场Ey分布图，如附图10是波导口入射条件下场分布对应的涡旋相位图，对比图6和图9可以看出，图9中的涡旋更加明显，形成了一个闭合的涡旋能量图，且中间能量最小，能量围绕中间也更为集中，说明涡旋的效果更好，对比图7和图10，其螺旋式的相位更加明显和均匀，这可以说明优化移相单元结构参数后排列形成的阵列天线的涡旋效果更好。因此申请人通过多次调整优化移相单元的结构参数，优化后的移相单元能够使得本发明更加具有优越的涡旋效果，可以在能量传输上具有更大的传输效率。
Claims (10)
1.一种涡旋型的多层超表面阵列天线，其特征在于：该阵列天线由两个以上移相单元(15)排列组成的阵列相位板(6)；所述移相单元(15)包括包括上下连接的上介电层(1)和下介质层(2)，所述上介质层(1)和下介质层(2)均为边长为3mm正方形；所述上介质层(1)的上表面、上介质层(1)与下介质层(2)的连接面、下介质层(2)的底面均设有金属贴片(3)；所述的金属贴片(3)由外圆环(4)和内圆环(5)组成，外圆环(4)、内圆环(5)的圆心与正方形的中心重合；所述外圆环(4)的外圆与正方形相切；所述的阵列相位板(6)按逆时针划分有第一象限(7)、第二象限(8)、第三象限(9)、第四象限(10)、第五象限(11)、第六象限(12)、第七象限(13)和第八象限(14)，每个象限内金属贴片(3)的外圆环(4)的内半径相同，且外圆环(4)的内半径随第一象限(7)至第八象限(14)依次减小。
2.根据权利要求1所述的涡旋型的多层超表面阵列天线，其特征在于：所述的阵列天线为正方形，由6×6个移相单元组成。
3.根据权利要求2所述的涡旋型的多层超表面阵列天线，其特征在于：所述第一象限(7)、第三象限(9)、第五象限(11)和第七象限(13)中的移相单元的数量相等；所述第二象限(8)、第四象限(10)、第六象限(12)和第八象限(14)中的移相单元的数量相等。
4.根据权利要求3所述的涡旋型的多层超表面阵列天线，其特征在于：所述第一象限(7)、第三象限(9)、第五象限(11)和第七象限(13)中的移相单元的数量为6个；所述第二象限(8)、第四象限(10)、第六象限(12)和第八象限(14)中的移相单元的数量为3个。
5.根据权利要求4所述的涡旋型的多层超表面阵列天线，其特征在于：所述第一象限(7)至第八象限(14)中移相单元上的金属贴片(3)的外圆环(4)的内半径分别为1.4mm、1.347mm、1.121mm、0.997mm、0.924mm、0.868mm、0.793mm、0.732mm。
6.根据权利要求1所述的涡旋型的多层超表面阵列天线，其特征在于：所述外圆环(4)的内半径是内圆环(5)的外半径的2倍。
7.根据权利要求1所述的涡旋型的多层超表面阵列天线，其特征在于：所述内圆环(5)的内半径为0.1mm。
8.根据权利要求1所述的涡旋型的多层超表面阵列天线，其特征在于：所述上介电层(1)和下介质层(2)的介电常数均为2.0，厚度为0.7-1mm。
9.根据权利要求8所述的涡旋型的多层超表面阵列天线，其特征在于：所述上介电层(1)和下介质层(2)的厚度为0.8mm。
10.根据权利要求1所述的涡旋型的多层超表面阵列天线，其特征在于：所述金属贴片(3)的厚度为0.035mm。
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