CN110994157B - 一种双螺旋移相单元的涡旋形阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双螺旋移相单元的涡旋形阵列天线，该阵列天线由多个移相单元和铜块排列组成正方形的阵列相位板；所述的铜块包括位于阵列相位板的四角的铜块角单元和位于阵列相位板中部的铜块中心单元，阵列相位板的其余部分均为移相单元，且移相单元围绕铜块中心单元设置；所述移相单元包括一介质层，介质层上设有呈双螺旋结构的铜棒；所述铜棒的高度一致；所述铜棒的螺距为3≦a≦11，且铜棒的螺距随逆时针围绕铜块中心单元的移相单元而依次变小。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，在能量传输上具有更大的传输效率。

Description

一种双螺旋移相单元的涡旋形阵列天线
技术领域
本发明涉及一种双螺旋移相单元的涡旋形阵列天线，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。现有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，但其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，提供一种双螺旋移相单元的涡旋形阵列天线。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。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：一种双螺旋移相单元的涡旋形阵列天线，该阵列天线由多个移相单元和铜块排列组成正方形的阵列相位板；所述的铜块包括位于阵列相位板的四角的铜块角单元和位于阵列相位板中部的铜块中心单元，阵列相位板的其余部分均为移相单元，且移相单元围绕铜块中心单元设置；所述移相单元包括一介质层，介质层上设有呈双螺旋结构的铜棒；所述铜棒的高度一致；所述铜棒的螺距为3≦a≦11mm，且铜棒的螺距随逆时针围绕铜块中心单元的移相单元而依次变小。
上述的双螺旋移相单元的涡旋形阵列天线，所述介质层的长宽均为4mm，介质层的厚度为2mm，介质层的介电常数为2.2。
前述的双螺旋移相单元的涡旋形阵列天线，所述铜块的厚度与介质层的厚度相等。
前述的双螺旋移相单元的涡旋形阵列天线，所述铜棒的长度为51mm，铜棒的一端有1mm设置在介质层内，且从介质层的表面铜棒末端的长度为50mm；所述铜棒的截面直径为1mm。
前述的双螺旋移相单元的涡旋形阵列天线，所述移相单元的数量为8个；所述铜棒的螺距随逆时针围绕铜块中心单元的移相单元而依次变小，分别为10.3566mm、10.0988mm、9.80444mm、6.2mm、5.66667mm、5.15mm、4.38889mm、4mm。
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，移相单元包括一介质层，在介质层上设置呈双螺旋结构的铜棒，并此移相单元和铜块按照一定规律排列成阵列天线，本发明采用双螺旋结构形式，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是阵列天线的后视结构示意图；
图3是阵列天线的主视结构示意图；
图4是移相单元的结构示意图；
图5是本发明移相单元按8个象限梯度排布的示意图；
图6是阵列天线的波导口入射条件下电场Ez分布图；
图7是涡旋3d远场图。
附图标记：1-移相单元，2-铜块，3-阵列相位板，4-铜块角单元，5-铜块中心单元，6-介质层，7-铜棒。
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1：一种双螺旋移相单元的涡旋形阵列天线，如附图1所示，该阵列天线由多个移相单元1和铜块2排列组成正方形的阵列相位板3；如图2-3所示，所述的铜块2包括位于阵列相位板3的四角的铜块角单元4和位于阵列相位板3中部的铜块中心单元5，阵列相位板3的其余部分均为移相单元1，且移相单元1围绕铜块中心单元5设置；如图4所示，所述移相单元1包括一介质层6，介质层6上设有呈双螺旋结构的铜棒7；所述铜棒7的高度一致（这里的高度是指螺旋后的实际高度，并不是铜棒螺旋前的原始长度）；所述铜棒7的螺距为3≦a≦11mm，所述的螺距是指相邻两螺纹之间的距离，也即附图4中距离a即为该铜棒的螺距；且铜棒7的螺距随逆时针围绕铜块中心单元5的移相单元1而依次变小。
实施例2：一种涡旋型的多层超表面阵列天线，如附图1所示，该阵列天线由多个移相单元1和铜块2排列组成正方形的阵列相位板3；如图2-3所示，所述的铜块2包括位于阵列相位板3的四角的铜块角单元4和位于阵列相位板3中部的铜块中心单元5，阵列相位板3的其余部分均为移相单元1，且移相单元1围绕铜块中心单元5设置，如图4所示，所述移相单元1包括一介质层6，介质层6上设有呈双螺旋结构的铜棒7；所述铜棒7的高度一致；所述铜棒7的螺距为3≦a≦11mm，且铜棒7的螺距随逆时针围绕铜块中心单元5的移相单元1而依次变小；所述的移相单元2的介质层3为正方形，长宽均为4mm，厚度为2mm，介电常数为2.2，可采用二氧化硅。所述铜块2的厚度与介质层6的厚度相等；所述铜棒7的长度为51mm，铜棒7的一端有1mm设置在介质层3内，且从介质层3的表面至铜棒7的末端的长度为50mm；所述铜棒7的直径为1mm。
实施例3：在实施例2的基础上，该阵列天线共由8个移相单元、4个铜块角单元4和一个铜块中心单元5拼接而成阵列相位板6，且移相单元1上铜棒7的螺距按8个象限梯度逆时针由大到小进行排布，如图5所示，经申请人反复试验、筛选和总结，螺距a分别为4mm、4.38889mm、5.15mm、5.66667mm、6.2mm、9.80444mm、10.0988mm、10.3566mm，即移相单元a的螺距为10.3566mm，移相单元b的螺距为10.0988mm，移相单元c的螺距为9.80444mm，移相单元d的螺距为6.2mm,移相单元e的螺距为5.66667mm，移相单元f的螺距为5.15mm,移相单元g的螺距为4.38889mm，移相单元h的螺距为4mm；上述的排列结构可以使透射相位变化覆盖[0°，360°]。利用CST仿真，两个波导口分别距离单元结构5mm及-5mm，经过仿真，选取相差45°的8个相位，得到如表1所示的螺距a变化时的相位变化表，从表1可以看出，当a变化时，相邻相位之间变化接近或为45°，相位变化十分的均匀，而且实际相位变化与理论相位变化十分契合。
a 实际相位 理论相位
4 168.372 168.372
4.38889 122.18117 123.372
5.15 78 78.372
5.66667 34.62593 33.372
6.2 -10.279521 -11.628
9.80444 -55.404433 -56.628
10.0988 -10.35931 -101.628
10.3566 -146.13921 -146.628
表1
申请人对上述阵列天线作了试验，在波导口距离阵列天线10mm，在结构中加上电场以及远场监视器，附图6是平面波沿着Z轴方向正入射本发明后所在的某一位置平面的电场分布图，附图7是远场监视器生成的聚焦3d远场图，从图6-图7中可以看出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。

Claims (4)

1.一种双螺旋移相单元的涡旋形阵列天线，其特征在于：该阵列天线由多个移相单元（1）和铜块（2）排列组成正方形的阵列相位板（3）；所述的铜块（2）包括位于阵列相位板（3）的四角的铜块角单元（4）和位于阵列相位板（3）中部的铜块中心单元（5），阵列相位板（3）的其余部分均为移相单元（1），且移相单元（1）围绕铜块中心单元（5）设置；所述移相单元（1）包括一介质层（6），介质层（6）上设有呈双螺旋结构的铜棒（7）；所述铜棒（7）的高度一致；所述铜棒（7）的螺距为3≦a≦11mm，且铜棒（7）的螺距随逆时针围绕铜块中心单元（5）的移相单元（1）而依次变小。
2.根据权利要求1所述的双螺旋移相单元的涡旋形阵列天线，其特征在于：所述介质层（6）的长宽均为4mm，介质层（6）的厚度为2mm，介质层（6）的介电常数为2.2。
3.根据权利要求2所述的双螺旋移相单元的涡旋形阵列天线，其特征在于：所述铜块（2）的厚度与介质层（6）的厚度相等。
4.根据权利要求1所述的双螺旋移相单元的涡旋形阵列天线，其特征在于：所述移相单元（1）的数量为8个；所述铜棒（7）的螺距随逆时针围绕铜块中心单元（5）的移相单元（1）而依次变小，分别为10.3566mm、10.0988mm、9.80444mm、6.2mm、5.66667mm、5.15mm、4.38889mm、4mm。
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