CN111211411A - 一种基于超材料的涡旋天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于超材料的涡旋天线，解决了阵列天线需要复杂的馈电结构，旋相板无法实现多个旋相板叠加的技术问题，包括喇叭天线2，在距离喇叭天线2口面一定距离(大于半个工作波长)处设有超材料涡旋板，超材料涡旋板是圆形平板结构，且其轴心位于天线喇叭的中轴线上，超材料涡旋板由被均匀分割的圆心角相等的扇区拼接组成，每个扇区在厚度方向上是由板A和板B交替且周期排布构成的，板A的折射率大于板B,可以表示为(AB)N，N(≥3)为周期数，每个扇区单个周期板A和板B的厚度之和均相同，但各个扇区板A的厚度互不相等且板B的厚度互不相等，可以广泛应用于无线通讯技术领域。

Description

一种基于超材料的涡旋天线
技术领域
本发明属于无线通讯技术领域，具体地说是涉及一种基于超材料的涡旋天线。
背景技术
涡旋天线，是一种能够发射和接受涡旋电磁波的新型天线，涡旋电磁波因携带有轨道角动量(OAM)，因此体现出了传统的强度、相位、频率、极化等自由度之外，还引入了一种新型自由度，对于某一频率的电磁波，理论上可扩展为无穷多个频率相同但携带不同轨道角动量的涡旋电磁波，这种涡旋电磁波具有不同的本征模式，并且近年来其在雷达成像、无线通信等研究领域展现出重要的应用潜力，所以引起国内外学者的广泛关注，具有很高的研究价值和应用前景。
过往提出的涡旋天线多采用阵列天线结构和旋相板两种结构来实现，阵列天线是使用复杂的馈电系统，使得阵列天线的每个单元发射或接收不同相位的电磁波，通过阵列合成涡旋电磁波，这种结构需要复杂的馈电结构，设计复杂，加工难度大。另一种方式是利用旋相板，平行电磁波照射到螺旋结构的反射面后，实现相位的调制，从而使平行电磁波转换成涡旋电磁波，旋相板因为需要特殊的螺旋结构，旋相板高度随旋转角度逐渐增加，对加工精度要求高，加工难度大，同时一种旋相板只能决定一种旋转相位，由于逐渐增高的旋转结构，无法实现多个旋相板的叠加，相位可调性差。
因此，需要发明一种结构简单、加工便捷、灵活可调的的涡旋天线。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出了一种将圆形的平板均匀划分为不同的扇区，通过控制不同折射率材料层的厚度使每个扇区的等效折射率存在差异从而实现对电磁波相位的调控进而获得一种能激发出涡旋电磁波的天线。
为此，提供一种基于超材料的涡旋天线，包括喇叭天线，在距离喇叭天线口面一定距离(大于半个工作波长)处设有超材料涡旋板，超材料涡旋板是圆形平板结构，且其轴心位于天线喇叭的中轴线上，超材料涡旋板由被均匀分割的圆心角相等的扇区拼接组成，每个扇区在厚度方向上是由板A和板B交替且周期排布构成的，板A的折射率不同于板B,可以表示为(AB)N，N(≥3)为周期数，每个扇区单个周期板A和板B的厚度之和均相同，但各个扇区板A的厚度互不相等且板B的厚度互不相等。
优选的，超材料涡旋板在厚度方向上可多块叠加组装使用，实现多种模式的涡旋电磁波的激发。
优选的，超材料涡旋板由18个扇区拼接组成，每个扇区板A和板B交替周期排列，周期数为3，板A的折射率为2，板B的折射率为3，每个扇区单个周期板A和板B的厚度之和均为3mm，且这18个扇区板A的厚度互不相同，板B的厚度互不相同。
本发明的有益效果是：
(1)本发明为一种基于超材料的涡旋天线，圆形的超材料涡旋板是由被均匀分割的圆心角相等的扇区拼接构成，每个扇区在厚度方向由板A和板B交替周期排列叠成且板A和板B的厚度之和相等，保证拼接的圆形超材料涡旋板始终为平板结构，便于实现多个超材料涡旋板厚度方向的罗列叠加，但由于各个扇区的板A厚度互不相同，故而板B的厚度也互不相同，板A的折射率不同于板B，则各个扇区整体的等效折射率会有差异,就会实现各个扇区对电磁波的相位调控能力不同，所以此种超材料涡旋板可以激发涡旋电磁波。
(2)拼接的圆形超材料涡旋板通过简单改变单一扇区内板A和板B的厚度或板A和板B的排列周期以及不同扇区的排列方式，均可以实现不同的角动量信息，从而实现不同的涡旋形式。
(3)一个超材料涡旋板可以实现一种涡旋电磁波的激发，由于此种超材料涡旋板被设计为两面平整的平板结构，可以实现多个超材料涡旋板厚度方向的叠加组装，从而可以激发实现不同种模式的涡旋电磁波，丰富了涡旋调控的方式。
附图说明
图1是本发明涡旋天线的结构示意图；
图2是超材料涡旋板结构示意图；
图3是超材料涡旋板单个扇区的结构示意图；
图4是本发明涡旋天线发射和接受的辐射过程示意图；
图5是涡旋天线的S11图；
图6是涡旋天线的辐射相位图。
图中标记：1.超材料涡旋板；2.喇叭天线；3.板A；4.板B。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供的一种基于超材料的涡旋天线，其包括喇叭天线2和超材料涡旋板1，在距离喇叭天线2口面一定距离(大于半个工作波长)处设有超材料涡旋板1，且超材料涡旋板1的轴心位于天线喇叭的中轴线上，喇叭天线2为普通标准增益喇叭天线2。
如图2-图3所示，超材料涡旋板1的结构设计如下：圆形平板被划分为18个大小一致的扇区，18个扇区沿圆周方向两两互相拼接成圆板状，18个扇区依次编号为1号、2号、3号……18号，每一个扇区沿厚度方向上，均由板A3和板B4交替周期排布，板A3的折射率不同于板B4，如此形成高、低折射率的周期排布，电磁波进入周期结构会产生类电磁波干涉，干涉之后会对这个结构的电磁波的透过、反射等产生调控；优选的，板A3是折射率为2的低损耗介质板，板B4是折射率为3的低损耗介质板,周期N＝3,即表示为(AB)3；单个周期，板A3和板B4的厚度之和为3mm。板A3和板B4组合后形成的结构材料，通过亚波长周期结构，可以实现对电磁波的特意调控，进而实现不同等效折射率的调整，故而将此圆形平板称为超材料涡旋板1。
下面对超材料涡旋板1各个扇区内板A3和板B4的厚度进行如下设计：
1号扇区，板A3的厚度为3.0mm，板B4的厚度为0mm；
2号扇区，板A3的厚度为2.8mm，板B4的厚度为0.2mm；
3号扇区，板A3的厚度为2.7mm，板B4的厚度为0.3mm；
4号扇区，板A3的厚度为2.6mm，板B4的厚度为0.4mm；
5号扇区，板A3的厚度为2.4mm，板B4的厚度为0.6mm；
6号扇区，板A3的厚度为2.2mm，板B4的厚度为0.8mm；
7号扇区，板A3的厚度为2.0mm，板B4的厚度为1.0mm；
8号扇区，板A3的厚度为1.8mm，板B4的厚度为1.2mm；
9号扇区，板A3的厚度为1.7mm，板B4的厚度为1.3mm；
10号扇区，板A3的厚度为1.6mm，板B4的厚度为1.4mm；
11号扇区，板A3的厚度为1.4mm，板B4的厚度为1.6mm；
12号扇区，板A3的厚度为1.2mm，板B4的厚度为1.8mm；
13号扇区，板A3的厚度为1.0mm，板B4的厚度为2.0mm；
14号扇区，板A3的厚度为0.8mm，板B4的厚度为2.2mm；
15号扇区，板A3的厚度为0.7mm，板B4的厚度为2.3mm；
16号扇区，板A3的厚度为0.6mm，板B4的厚度为2.4mm；
17号扇区，板A3的厚度为0.4mm，板B4的厚度为2.6mm；
18号扇区，板A3的厚度为0.2mm，板B4的厚度为2.8mm。
由于每个扇区板A3和板B4的厚度均与其他各扇区板A3和板B4的厚度不相同，则18个扇区中每个扇区的整体等效折射率均不相同，进而这18个扇区对电磁波的相位调控效果各不相同就能激发出涡旋电磁波。将制作好的超材料涡旋板1设于喇叭天线2口面一定距离(大于半个工作波长)，设计出了基于超材料的涡旋天线。
如图4所示，涡旋电磁波的发射过程，电路中的高频电流经喇叭天线2辐射正常的线极化电磁波，线极化电磁波经过超材料涡旋板1后会转换成具有旋转相位的电磁波辐射出去。
涡旋电磁波的接受过程，当外界辐射的涡旋电磁波经过超材料涡旋板1后会转换成线极化电磁波，线极化电磁波被喇叭天线2接收转换为电路中的高频电流。
对设计的上述基于超材料的涡旋天线进行仿真，仿真结果如图5所示，该涡旋天线在20GHz处的回波损耗S11小于-35dB表明在20GHz具有良好的辐射特性。
相位分布如图6所示，涡旋天线辐射出去的电磁波在同一平面位置，相位从0°变化到了360°，同时呈现相位涡旋的形式，可见该天线可以实现良好的涡旋电磁波的激发和接收。
每个扇区板A3和板B4的厚度之和相同，周期数也相同，所以各个扇区组合拼接的超材料涡旋板1是上下表面平整的平板，因此便于实现多个超材料涡旋板1厚度方向的叠加组装，丰富了涡旋调控的手段。
此外通过简单改变扇区的排列结构可以实现不同的涡旋形式，实现不同的角动量信息，调整灵活。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具备特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
惟以上所述者，仅为本发明的具体实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，故其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修改，皆应仍属本发明权利要求书涵盖之范畴。

Claims (3)

1.一种基于超材料的涡旋天线，包括喇叭天线，其特征在于，在距离喇叭天线口面一定距离(大于半个工作波长)处设有超材料涡旋板，所述超材料涡旋板是圆形平板结构，且其轴心位于天线喇叭的中轴线上，超材料涡旋板由被均匀分割的圆心角相等的扇区拼接组成，每个扇区在厚度方向上是由板A和板B交替且周期排布构成的，板A的折射率不同于板B,可以表示为(AB)N，N(≥3)为周期数，每个扇区单个周期板A和板B的厚度之和均相同，但各个扇区板A的厚度互不相等且板B的厚度互不相等。
2.根据权利要求1所述的一种基于超材料的涡旋天线，其特征在于，所述超材料涡旋板在厚度方向上可多块叠加组装使用，实现多种模式的涡旋电磁波的激发。
3.根据权利要求1所述的一种基于超材料的涡旋天线，其特征在于，所述超材料涡旋板由18个扇区拼接组成，每个扇区板A和板B交替周期排列，周期数为3，板A的折射率为2，板B的折射率为3，每个扇区单个周期板A和板B的厚度之和均为3mm，且这18个扇区板A的厚度互不相同，板B的厚度互不相同。
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