CN111697337B - 一种毫米波太赫兹波多模轨道角动量波束扫描天线及方法 - Google Patents

一种毫米波太赫兹波多模轨道角动量波束扫描天线及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种毫米波太赫兹波多模轨道角动量波束扫描天线及方法。本发明采用波导馈电装置，将同轴线中的TEM模式转换为SSP模式，沿着SSP传输线的表面传播，并携带有OAM模式；加载在SSP传输线外的辐射阵列的衍射作用下，SSP模式的波矢叠加上衍射所产生的谐波波矢，产生频谱搬移效应，从而将具有OAM模式的SSP模式转换为自由空间辐射波，实现OAM模式辐射，并且工作在不同的频段内；辐射方向与工作频率对应，从而通过控制工作频率操控OAM模式的辐射方向；OAM模式的旋转方向与螺旋光栅的手性一致；本发明结构紧凑，不需要多个单元组阵；系统的鲁棒性强，只需要保持螺旋光栅的螺旋特性即可；波导馈电装置简单，只需要同轴端口馈电即可，不需要复杂的馈电网络。

Description

一种毫米波太赫兹波多模轨道角动量波束扫描天线及方法
技术领域
本发明涉及轨道角动量技术，具体涉及一种毫米波-太赫兹波多模轨道角动量波束扫描天线及方法。
背景技术
轨道角动量(orbital angular momentum，OAM)是目前领域内的研究热点之一，其具有螺旋形的波前面。由于OAM不同模式之间的正交性，其可以极大地提升通信系统中的信道容量，因此OAM模式在通信系统中有广泛的应用。此外，OAM在粒子操控、量子编码、成像等方面也有着广泛的应用。虽然OAM有许多潜在的应用场景，但是如何高效地产生以及操控OAM模式一直没有得到有效的解决。目前激发OAM模式的方法有许多种。在光学波段可以通过透射型或者反射型螺旋相位板、全息相位板等结构产生OAM模式。在微波波段，可以通过超表面、阵子天线阵列、螺旋天线等结构产生OAM模式，但是依然有许多问题需要解决：一、其阵列尺寸过大，不利于结构的集成化。二、由于超表面结构的依赖于单元结构的谐振效应，工作带宽窄。三、单元结构与阵子天线结构均需要产生OAM依赖于相邻单元之间的相位变化，需要针对特定的OAM模式精确设计单元分布，调节起来比较困难。四、对OAM模式的调控只存在模式分布的调节，辐射方向难以实现。
发明内容
本发明提出了一种基于人工表面等离激元(spoof surface plasmon,SSP)的OAM模式波束扫描天线；能够实现OAM模式辐射，且能够工作在不同的频段内；在每个频段内能够实现定向的OAM辐射，辐射方向由工作频率确定；OAM模式的旋转方向与螺旋光栅的手性保持一致。
本发明的一个目的在于提出一种基于人工表面等离激元的OAM模式波束扫描天线。
本发明的基于人工表面等离激元的OAM模式波束扫描天线包括：第一波导馈电装置、SSP传输线、辐射阵列、第二波导馈电装置和阵列支撑架；其中，SSP传输线的两端分别同轴连接第一波导馈电装置和第二波导馈电装置；辐射阵列固定在阵列支撑架上，辐射阵列同轴套在SSP传输线外；第一和第二波导馈电装置的两端分别同轴连接同轴线；SSP传输线为螺旋光栅，即在圆柱的外表面刻蚀周期结构的深度一致的螺旋状的矩形槽，周期为d，槽宽为a，内半径和外半径分别为R1和R2，外半径R2与同轴线的内导体的半径相同；第一波导馈电装置包括外导体和内导体，由依次同轴连接的同轴线连接段、过渡段、同轴圆柱形深度渐变螺旋光栅和敞口金属盖板构成；外导体的外径均匀一致；同轴线连接段的外导体为半径均匀的圆筒状，内导体为圆柱形，外导体的内半径和内导体的半径均与同轴线的外导体的内半径和内导体的半径相同；过渡段的外导体的内半径逐渐倾斜变小，内导体为圆柱形，内导体的半径均与同轴线的内导体的半径相同；同轴圆柱形深度渐变螺旋光栅的外导体为半径均匀的圆筒状，同轴圆柱形深度渐变螺旋光栅的外导体的内半径与过渡段的外导体的末端的内半径相同，内导体为圆柱形深度渐变螺旋光栅，即在圆柱的外表面刻蚀周期性的深度逐渐变深的螺旋状的矩形槽，矩形槽的周期与SSP传输线的螺旋光栅的结构相同，圆柱的半径与同轴线的内导体的半径相同，圆柱形深度渐变螺旋光栅的内半径渐变减小，最小值与SSP传输线的螺旋光栅的内半径相同；敞口金属盖板的外导体的内半径逐渐变大，直至与外半径一致，内导体为螺旋光栅，敞口金属盖板的螺旋光栅的结构与SSP传输线的螺旋光栅除长度外的结构相同；第二波导馈电装置包括外导体和内导体，由依次同轴连接的敞口金属盖板、同轴圆柱形深度渐变螺旋光栅、过渡段和同轴线连接段构成，除同轴圆柱形深度渐变螺旋光栅和敞口金属盖板的内导体的螺旋方向外，第二波导馈电装置的结构与第一波导馈电装置的结构对称，第一波导馈电装置的同轴圆柱形深度渐变螺旋光栅和敞口金属盖板的内导体的螺旋旋转方向以及第二波导馈电装置的同轴圆柱形深度渐变螺旋光栅和敞口金属盖板的内导体的螺旋旋转方向，与SSP传输线的螺旋旋转方向一致，周期一致，并相互连接为一整体；辐射阵列为多个周期性的金属圆环组成的圆环阵列，辐射阵列的周期大于螺旋光栅的周期；TEM模式经由同轴线，传输至第一波导馈电装置；TEM模式经同轴线连接段传输至过渡段；过渡段压缩TEM模式，从而提高TEM模式向SSP的耦合效率，传输至同轴圆柱形深度渐变螺旋光栅；同轴圆柱形深度渐变螺旋光栅将压缩后的TEM模式逐渐过渡到SSP模式；SSP模式经敞口金属盖板释放至SSP传输线；SSP传输线为螺旋光栅，是一种周期结构，根据周期结构弗洛奎特定理，螺旋光栅结构中支持的本征电磁波都携带有轨道角动量模式，因此螺旋光栅表面支持传播的SSP模式携带OAM模式，但SSP模式被局缚在SSP传输线的表面，只能沿着SSP传输线的表面传播，而无法形成自由空间辐射；SSP模式受到加载在SSP传输线外的辐射阵列的衍射作用，SSP模式的波矢叠加上衍射所产生的谐波波矢，产生频谱搬移效应；叠加后的波矢存在小于自由空间波矢的部分，从而这部分波矢将对应频率的SSP模式转换为自由空间辐射波；由于SSP模式携带有OAM模式，从而转化成自由空间辐射波的电磁分布也携带OAM模式，即得到了向自由空间辐射的OAM模式；SSP模式由第二波导馈电装置的敞口金属盖板接收，经同轴圆柱形深度渐变螺旋光栅转变为TEM模式，再经过渡段和同轴线连接段输出至同轴线，将结构中未辐射出的能量输出，同时减少系统中的反射，避免反射引起系统损耗；选择工作频段为辐射区只有一个辐射模式对应的频段，从而提高OAM模式的纯度；进一步，在同一个工作频段内，辐射方向与工作频率一一对应，从而通过控制工作频率操控OAM模式的辐射方向；并且，轨道角动量模式的旋转方向与螺旋光栅的旋转方向一致。
由于螺旋光栅具有手性，如果从第一至第二波导馈电装置的螺旋光栅的旋转方向为左旋，电磁波的传输方向也是从第一至第二波导馈电装置，那么轨道角动量的旋转方向为左旋，如果电磁波的传输方向是从第二至第一波导馈电装置，那么轨道角动量的旋转方向为右旋；反之，如果从第一至第二波导馈电装置的螺旋光栅的旋转方向为右旋，电磁波的传输方向也是从第一至第二波导馈电装置，那么轨道角动量的旋转方向为右旋，如果电磁波的传输方向是从第二至第一波导馈电装置，那么轨道角动量的旋转方向为左旋。
辐射阵列的周期为p，圆环的内环和外环半径大小分别为R3和R4，满足，R2＜R3≤2R2，
Figure GDA0002887285790000031
辐射阵列的周期p大于等于三倍的SSP传输线的螺旋光栅的周期d，即p≥3d。SSP传输线的长度L5满足：50d≤L5≤150d。
同轴线连接段的外导体的内半径与同轴线的内半径一致，同轴线连接段的外导体的外半径与同轴线的外半径不需要一致。同轴线连接段的外导体的内半径为R5，R6为第一波导馈电装置的外导体的外径，满足R6＝R5-L2tanθ1+L4tanθ2。
过渡段的外导体的内径的倾斜夹角为θ1，角度较小，满足0＜θ1≤15°。
敞口金属盖板的外导体的渐变角度为θ2，角度较大，满足20°≤θ2≤50°。
同轴线连接段、过渡段、同轴圆柱形深度渐变螺旋光栅和敞口金属盖板的长度分别为L1、L2、L3和L4，分别满足为2d≤L1≤5d，5d≤L2≤15d，5d≤L3≤10d，10d≤L4≤20d。第一波导馈电装置、SSP传输线、辐射阵列和第二波导馈电装置采用的材料为金属铜。
本发明的另一个目的在于提出一种基于人工表面等离激元的OAM模式波束扫描天线的实现方法。
本发明的基于人工表面等离激元的OAM模式波束扫描天线的实现方法，包括以下步骤：
1)TEM模式经由同轴线，传输至第一波导馈电装置；
2)TEM模式经同轴线连接段传输至过渡段；
3)过渡段压缩TEM模式，从而提高TEM模式向SSP的耦合效率，传输至同轴圆柱形深度渐变螺旋光栅；
4)同轴圆柱形深度渐变螺旋光栅将压缩后的TEM模式逐渐过渡到SSP模式；
5)SSP模式经敞口金属盖板释放至SSP传输线；SSP传输线为螺旋光栅，是一种周期结构，根据周期结构弗洛奎特(Floquet’s)定理，螺旋光栅的本征电磁场
Figure GDA0002887285790000032
表达式为：
Figure GDA0002887285790000041
其中，Fvn(r)是径向电场的表达式，v是角向的模式阶数，n是轴向谐波次数，F()为表达式函数，r、
Figure GDA0002887285790000044
和z分别代表圆柱坐标系中的径向分量、角向分量与轴向分量，β0是在轴向基波的传播常数，βn＝β0+2nπ/d是第n次谐波的传播常数，
Figure GDA0002887285790000042
项为角向的相位表达式，其表示相位在角向一周是变化的，表明螺旋光栅中本征电磁场携带有OAM模式，即在SSP传输线中传输的SSP模式携带有OAM模式，但SSP模式被局缚在SSP传输线的表面，只能沿着SSP传输线的表面传播，而无法形成自由空间辐射，j为虚数单位；
6)SSP模式受到加载在SSP传输线外的辐射阵列的衍射作用，SSP模式的波矢叠加上衍射所产生的谐波波矢，产生频谱搬移效应；叠加后的波矢存在小于自由空间波矢的部分，从而这部分波矢将对应频率的SSP模式转换为自由空间辐射波；由于SSP模式携带有OAM模式，从而转化成自由空间辐射波的电磁分布也携带OAM模式，即得到了向自由空间辐射的OAM模式；
7)SSP模式由第二波导馈电装置的敞口金属盖板接收，经同轴圆柱形深度渐变螺旋光栅转变为TEM模式，再经过渡段和同轴线连接段输出至同轴线，将结构中未辐射出的能量输出，同时减少系统中的反射，避免反射引起系统损耗；
8)选择工作频段为辐射区只有一个辐射模式对应的频段，从而提高OAM模式的纯度；
9)根据波矢匹配关系，在工作频率f0时的辐射角度θ为：
Figure GDA0002887285790000043
其中，kz0是与工作频率f0对应的纵向波矢，θ为OAM辐射方向与z轴正向的夹角，在同一个工作频段内，辐射方向与工作频率一一对应，从而通过控制工作频率操控OAM模式的辐射方向；
10)轨道角动量模式的旋转方向与螺旋光栅的旋转方向一致。
其中，在步骤10)中，由于螺旋光栅具有手性，如果从第一至第二波导馈电装置的螺旋光栅的旋转方向为左旋，电磁波的传输方向也是从第一至第二波导馈电装置，那么轨道角动量的旋转方向为左旋，如果电磁波的传输方向是从第二至第一波导馈电装置，那么轨道角动量的旋转方向为右旋；反之，如果从第一至第二波导馈电装置的螺旋光栅的旋转方向为右旋，电磁波的传输方向也是从第一至第二波导馈电装置，那么轨道角动量的旋转方向为右旋，如果电磁波的传输方向是从第二至第一波导馈电装置，那么轨道角动量的旋转方向为左旋。
本发明的优点：
本发明采用波导馈电装置，将同轴线中的TEM模式转换为SSP模式，沿着SSP传输线的表面传播，SSP模式携带有OAM模式；加载在SSP传输线外的辐射阵列的衍射作用下，SSP模式的波矢叠加上衍射所产生的谐波波矢，产生频谱搬移效应，从而将具有OAM模式的SSP模式转换为自由空间辐射波，实现OAM模式辐射，并且工作在不同的频段内；在同一个工作频段内，辐射方向与工作频率一一对应，从而通过控制工作频率操控OAM模式的辐射方向；轨道角动量模式的旋转方向与螺旋光栅的手性一致；这种天线结构紧凑，不需要多个单元组阵；系统的鲁棒性强，只需要保持螺旋光栅的螺旋特性即可；波导馈电装置简单，只需要同轴端口馈电即可，不需要复杂的馈电网络。
附图说明
图1为本发明的基于人工表面等离激元的OAM模式波束扫描天线的一个实施例的示意图，其中，(a)为外观图，(b)为剖面图；
图2为本发明的基于人工表面等离激元的OAM模式波束扫描天线的布里渊图分布图；
图3为本发明的基于人工表面等离激元的OAM模式波束扫描天线的一个实施例的螺旋光栅中不同模式的电场分布图；
图4为本发明的基于人工表面等离激元的OAM模式波束扫描天线的一个实施例的纵向波矢叠加-2nπ/p之后的布里渊图分布图；
图5为本发明的基于人工表面等离激元的OAM模式波束扫描天线的一个实施例的不同工作频段下的辐射角度分布图；
图6为本发明的基于人工表面等离激元的OAM模式波束扫描天线的一个实施例的不同工作频段下的电场分布图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，本实施例的基于人工表面等离激元的OAM模式波束扫描天线包括：第一波导馈电装置1、SSP传输线2、辐射阵列3、第二波导馈电装置4和阵列支撑架；其中，SSP传输线2的两端分别同轴连接第一波导馈电装置1和第二波导馈电装置4；辐射阵列3固定在阵列支撑架上，辐射阵列3同轴套在SSP传输线2外；第一和第二波导馈电装置4的两端分别连接同轴线；SSP传输线2为螺旋光栅，即在圆柱的外表面刻蚀周期结构的深度一致的螺旋状的矩形槽，周期为d，槽宽为a，内半径和外半径分别为R1和R2，外半径R2与同轴线的内导体的半径相同；第一波导馈电装置1包括外导体和内导体，由依次同轴连接的同轴线连接段、过渡段、同轴圆柱形深度渐变螺旋光栅和敞口金属盖板构成，长度分别为L1、L2、L3和L4；外导体的外径均匀一致，与同轴线的外导体的外径相同；同轴线连接段的外导体为半径均匀的圆筒状，内导体为圆柱形，外导体和内导体的半径均与同轴线的外导体和内导体的半径相同；过渡段的外导体的内半径逐渐倾斜变小，渐变角度为θ1，内导体为圆柱形，内导体的半径均与同轴线的内导体的半径相同；同轴圆柱形深度渐变螺旋光栅的外导体为半径均匀的圆筒状，同轴圆柱形深度渐变螺旋光栅的外导体的内半径与过渡段的外导体的末端的内半径相同，内导体为圆柱形深度渐变螺旋光栅，即在圆柱的外表面刻蚀周期性的深度逐渐变深的螺旋状的矩形槽，矩形槽的周期与SSP传输线2的螺旋光栅的结构相同，圆柱的半径与同轴线的内导体的半径相同，圆柱形深度渐变螺旋光栅的内半径渐变减小，最小值与SSP传输线2的螺旋光栅的内半径相同；敞口金属盖板的外导体的内半径逐渐变大，直至与外半径一致，渐变角度为θ2，内导体为螺旋光栅，敞口金属盖板的螺旋光栅的结构与SSP传输线2的螺旋光栅的结构相同；第二波导馈电装置4包括外导体和内导体，由依次同轴连接的敞口金属盖板、同轴圆柱形深度渐变螺旋光栅、过渡段和同轴线连接段构成，除同轴圆柱形深度渐变螺旋光栅和敞口金属盖板的内导体的螺旋方向外，第二波导馈电装置4的结构与第一波导馈电装置1的结构对称，第一波导馈电装置1的同轴圆柱形深度渐变螺旋光栅和敞口金属盖板的内导体的螺旋旋转方向以及第二波导馈电装置4的同轴圆柱形深度渐变螺旋光栅和敞口金属盖板的内导体的螺旋旋转方向，与SSP传输线2的螺旋旋转方向一致，周期一致，并相互连接为一整体；辐射阵列3为多个周期性的金属圆环组成的圆环阵列，辐射阵列3的周期大于螺旋光栅的周期p。TEM模式经由同轴线，传输至第一波导馈电装置1；TEM模式经同轴线连接段传输至过渡段；过渡段压缩TEM模式，从而提高TEM模式向SSP的耦合效率，传输至同轴圆柱形深度渐变螺旋光栅；同轴圆柱形深度渐变螺旋光栅将压缩后的TEM模式逐渐过渡到SSP模式；SSP模式经敞口金属盖板释放至SSP传输线2；SSP传输线2为螺旋光栅，是一种周期结构，根据周期结构弗洛奎特定理，螺旋光栅结构中支持的本征电磁波都携带有轨道角动量模式，因此螺旋光栅表面支持传播的SSP模式携带OAM模式，但SSP模式被局缚在SSP传输线2的表面，只能沿着SSP传输线2的表面传播，而无法形成自由空间辐射；SSP模式受到加载在SSP传输线2外的辐射阵列3的衍射作用，SSP模式的波矢叠加上衍射所产生的谐波波矢，产生频谱搬移效应；叠加后的波矢存在小于自由空间波矢的部分，从而这部分波矢将对应频率的SSP模式转换为自由空间辐射波；由于SSP模式携带有OAM模式，从而转化成自由空间辐射波的电磁分布也携带OAM模式，即得到了向自由空间辐射的OAM模式；SSP模式由第二波导馈电装置4的敞口金属盖板接收，经同轴圆柱形深度渐变螺旋光栅转变为TEM模式，再经过渡段和同轴线连接段输出至同轴线，将结构中未辐射出的能量输出，同时减少系统中的反射，避免反射引起系统损耗；选择工作频段为辐射区只有一个辐射模式对应的频段，从而提高OAM模式的纯度；进一步，在同一个工作频段内，辐射方向与工作频率一一对应，从而通过控制工作频率操控OAM模式的辐射方向；并且，轨道角动量模式的旋转方向与螺旋光栅的旋转方向一致。
在本实施例中，在工作阻抗为50Ω时，由同轴线的阻抗条件，需满足R5＝2.32R2，辐射阵列为多个异周期的圆环阵列，辐射阵列的周期，圆环的内环和外环半径大小分别为R3和R4，满足
Figure GDA0002887285790000071
p＝4d。R1＝1mm，R2＝5mm,a＝1.5mm,d＝3mm。辐射阵列的结构参数为R3＝6mm，R4＝12mm，p＝4d＝12mm。L1＝5d,L2＝10d,L3＝10d,L4＝10d；SSP传输线的长度L5＝100d，圆环阵列的个数为(L5-20d)/p。
金属螺旋光栅是一种特殊的周期结构，根据周期结构弗洛奎特(Floquet’s)定理，螺旋光栅系统中的本征电磁场
Figure GDA0002887285790000072
表达式为：
Figure GDA0002887285790000073
其中，Fvn(r)是径向电场的表达式，v是角向的模式阶数，n是轴向谐波次数，r、
Figure GDA0002887285790000074
和z分别代表圆柱坐标系中的径向分量、角向分量与轴向分量，β0是在轴向基波的传播常数，βn＝β0+2nπ/d是第n次谐波的传播常数，
Figure GDA0002887285790000075
项为角向的相位表达式，其表示相位在角向一周是变化的，表明螺旋光栅中本征电磁场携带有OAM模式。
本实施例的基于人工表面等离激元的OAM模式波束扫描天线的布里渊图如图2所示，点横线表示不同谐波下真空中的光线，相邻两条光线以下形成的三角区域为慢波区，相邻两条光线以上形成的倒三角区域为辐射区。在慢波区域，电磁波的纵向波矢大于自由空间波矢，相速度小于光速，电磁波被局域在结构表面；而在辐射区域，电磁波的纵向波矢大于自由空间波矢，相速度大于光速，可以形成自由空间的辐射。布里渊图中的虚线和实线表示螺旋光栅系统中SSP不同模式的色散线，模式名称上标符号代表模式的旋转方向，+表示旋转方向为顺时针方向，-表示逆时针方向；模式名称下标数字代表角向的模式阶数。图3展示了模式相位为180(kz＝π/d)时，螺旋光栅中不同模式的电场分布。
从图2可以看出，SSP的色散线都分布在慢波区域中，其意味着SSP波被局缚在螺旋光栅表面，只能沿着螺旋光栅表面传播无法形成自由空间辐射。如果在螺旋光栅外面加载一个异周期的周期阵列，当SSP沿着螺旋结构传播时，受到周期辐射结构的衍射作用，SSP的波矢会叠加上衍射所产生的谐波波矢，使得SSP的色散线进行在布里渊图上进行平移，即：频谱搬移效应。SSP色散线在第n次谐波衍射下搬移的距离为
Figure GDA0002887285790000081
SSP的色散线进行频谱搬移之后移到辐射区时，移入辐射区的色散线对应的辐射特性发生改变。图4中的布里渊图展示了叠加-1次谐波后的SSP色散图。与图2相比，色散线向左平移2π/p，使得部分色散线转移到辐射区，那么可以将快波区色散线对应频率的SSP模式转换为自由空间辐射。由于SSP波携带有OAM，而转化成自由空间辐射波的电磁分布也携带OAM模式。
在图4中，在同一频率下可能对应不同的模式色散线，造成同一频率下出现不同方向、不同模式辐射，使得天线辐射场图混乱。为了提高OAM模式的纯度，工作频段选择辐射区只有一个辐射模式色散线的对应频段，分别命名为频段一、频段二和频段三。为了精确描述OAM的模式分布，用拓扑荷l来表征在OAM模式。拓扑荷由符号±和数字两部分构成。其中±代表OAM模式的旋转方向，+代表OAM旋转方向为顺时针方向，而-代表OAM旋转方向为逆时针方向；数字代表OAM模式在角向相位变化为2π的倍数。在该系统中，由SSP的
Figure GDA0002887285790000082
模式形成的OAM模式拓扑荷为l＝+m。根据对应的工作频段，可知频段一至频段三对应的拓扑荷分布分别为l＝+1、l＝+2、l＝+3，这个系统可以产生不同模式的拓扑荷。在转化为自由空间辐射时，辐射方向与+z方向的夹角为θ。根据波矢匹配关系，在工作频率f0时的辐射角度可以得到为：
Figure GDA0002887285790000083
其中kz0是在图2中与工作频率f0对应的纵向波矢，θ为OAM辐射方向与z轴正向的夹角。
在不同频段内的辐射方向如图5所示。可以看出，在不同的工作频段内，辐射方向随频率改变，且辐射角度调节范围大，因此该天线具有频率调控的波束扫描功能。这些分析通过电磁仿真软件CST进行验证，仿真结果如图6所示。在图6中分别展示了在频段一至频段三下的电场分布以及辐射方向。通过横截面上的电场分布能够得知不同的工作模式下为不同的拓扑荷模式，而纵截面的电场分布可以得到电场在不同频率下的辐射方向不同，可以验证该结构的波束扫描特性。
该结构的工作频率由螺旋光栅的工作频率决定，通过对金属螺旋光栅的结构参数，如半径、周期等，能够实现对工作频段的操控。周期可选为工作波长的
Figure GDA0002887285790000084
槽宽为周期的
Figure GDA0002887285790000085
当周期和槽宽确定时，光栅的槽深越深，工作频率越高。由于金属在微波-毫米波-太赫兹波段仍可以认为是理想金属，当选择适当的方案，工作频率能够拓展到毫米波太赫兹波段，因此该方案的工作频段能够从微波至毫米波-太赫兹波段。此外，该结构原理简单，结构紧凑，系统鲁棒性强，且可以实现多模工作，有望应用于基于OAM模式的太赫兹通信系统。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种基于人工表面等离激元的OAM模式波束扫描天线，其特征在于，所述OAM模式波束扫描天线包括：第一波导馈电装置、SSP传输线、辐射阵列、第二波导馈电装置和阵列支撑架；其中，SSP传输线的两端分别同轴连接第一波导馈电装置和第二波导馈电装置；辐射阵列固定在阵列支撑架上，辐射阵列同轴套在SSP传输线外；第一和第二波导馈电装置的两端分别同轴连接同轴线；SSP传输线为螺旋光栅，即在圆柱的外表面刻蚀周期结构的深度一致的螺旋状的矩形槽，周期为d，槽宽为a，内半径和外半径分别为R1和R2，外半径R2与同轴线的内导体的半径相同；第一波导馈电装置包括外导体和内导体，由依次同轴连接的同轴线连接段、过渡段、同轴圆柱形深度渐变螺旋光栅和敞口金属盖板构成；外导体的外径均匀一致；同轴线连接段的外导体为半径均匀的圆筒状，内导体为圆柱形，外导体的内半径和内导体的半径均与同轴线的外导体的内半径和内导体的半径相同；过渡段的外导体的内半径逐渐倾斜变小，内导体为圆柱形，内导体的半径均与同轴线的内导体的半径相同；同轴圆柱形深度渐变螺旋光栅的外导体为半径均匀的圆筒状，同轴圆柱形深度渐变螺旋光栅的外导体的内半径与过渡段的外导体的末端的内半径相同，内导体为圆柱形深度渐变螺旋光栅，即在圆柱的外表面刻蚀周期性的深度逐渐变深的螺旋状的矩形槽，矩形槽的周期与SSP传输线的螺旋光栅的结构相同，圆柱的半径与同轴线的内导体的半径相同，圆柱形深度渐变螺旋光栅的内半径渐变减小，最小值与SSP传输线的螺旋光栅的内半径相同；敞口金属盖板的外导体的内半径逐渐变大，直至与外半径一致，内导体为螺旋光栅，敞口金属盖板的螺旋光栅的结构与SSP传输线的螺旋光栅除长度外的结构相同；第二波导馈电装置包括外导体和内导体，由依次同轴连接的敞口金属盖板、同轴圆柱形深度渐变螺旋光栅、过渡段和同轴线连接段构成，除同轴圆柱形深度渐变螺旋光栅和敞口金属盖板的内导体的螺旋方向外，第二波导馈电装置的结构与第一波导馈电装置的结构对称，第一波导馈电装置的同轴圆柱形深度渐变螺旋光栅和敞口金属盖板的内导体的螺旋旋转方向以及第二波导馈电装置的同轴圆柱形深度渐变螺旋光栅和敞口金属盖板的内导体的螺旋旋转方向，与SSP传输线的螺旋旋转方向一致，周期一致，并相互连接为一整体；辐射阵列为多个周期性的金属圆环组成的圆环阵列，辐射阵列的周期大于螺旋光栅的周期；TEM模式经由同轴线，传输至第一波导馈电装置；TEM模式经同轴线连接段传输至过渡段；过渡段压缩TEM模式，从而提高TEM模式向SSP的耦合效率，传输至同轴圆柱形深度渐变螺旋光栅；同轴圆柱形深度渐变螺旋光栅将压缩后的TEM模式逐渐过渡到SSP模式；SSP模式经敞口金属盖板释放至SSP传输线；SSP传输线为螺旋光栅，是一种周期结构，根据周期结构弗洛奎特定理，螺旋光栅结构中支持的本征电磁波都携带有轨道角动量模式，因此螺旋光栅表面支持传播的SSP模式携带OAM模式，但SSP模式被局缚在SSP传输线的表面，只能沿着SSP传输线的表面传播，而无法形成自由空间辐射；SSP模式受到加载在SSP传输线外的辐射阵列的衍射作用，SSP模式的波矢叠加上衍射所产生的谐波波矢，产生频谱搬移效应；叠加后的波矢存在小于自由空间波矢的部分，从而这部分波矢将对应频率的SSP模式转换为自由空间辐射波；由于SSP模式携带有OAM模式，从而转化成自由空间辐射波的电磁分布也携带OAM模式，即得到了向自由空间辐射的OAM模式；SSP模式由第二波导馈电装置的敞口金属盖板接收，经同轴圆柱形深度渐变螺旋光栅转变为TEM模式，再经过渡段和同轴线连接段输出至同轴线，将结构中未辐射出的能量输出，同时减少系统中的反射，避免反射引起系统损耗；选择工作频段为辐射区只有一个辐射模式对应的频段，从而提高OAM模式的纯度；进一步，在同一个工作频段内，辐射方向与工作频率一一对应，从而通过控制工作频率操控OAM模式的辐射方向；并且，轨道角动量模式的旋转方向与螺旋光栅的旋转方向一致。
2.如权利要求1所述的OAM模式波束扫描天线，其特征在于，所述辐射阵列的周期为p，圆环的内环和外环半径大小分别为R3和R4，满足R2＜R3≤2R2，
Figure FDA0002887285780000021
且p≥3d。
3.如权利要求1所述的OAM模式波束扫描天线，其特征在于，所述SSP传输线的长度L5满足：50d≤L5≤150d。
4.如权利要求1所述的OAM模式波束扫描天线，其特征在于，所述同轴线连接段的外导体的内半径与同轴线的内半径一致，同轴线连接段的外导体的内半径为R5，第一波导馈电装置的外导体的外径为R6，满足R6＝R5-L2tanθ1+L4tanθ2，L2和L4分别为过渡段和敞口金属盖板的长度，θ1为过渡段的外导体的内径的倾斜夹角，θ2为敞口金属盖板的外导体的渐变角度。
5.如权利要求1所述的OAM模式波束扫描天线，其特征在于，所述过渡段的外导体的内径的倾斜夹角为θ1，满足0＜θ1≤15°。
6.如权利要求1所述的OAM模式波束扫描天线，其特征在于，所述敞口金属盖板的外导体的渐变角度为θ2，满足20°≤θ2≤50°。
7.如权利要求1所述的OAM模式波束扫描天线，其特征在于，所述同轴线连接段、过渡段、同轴圆柱形深度渐变螺旋光栅和敞口金属盖板的长度分别为L1、L2、L3和L4，分别满足为2d≤L1≤5d，5d≤L2≤15d，5d≤L3≤10d，10d≤L4≤20d。
8.如权利要求1所述的OAM模式波束扫描天线，其特征在于，所述第一波导馈电装置、SSP传输线、辐射阵列和第二波导馈电装置采用的材料为金属铜。
9.一种如权利要求1所述的基于人工表面等离激元的OAM模式波束扫描天线的实现方法，其特征在于，所述实现方法包括以下步骤：
1)TEM模式经由同轴线，传输至第一波导馈电装置；
2)TEM模式经同轴线连接段传输至过渡段；
3)过渡段压缩TEM模式，从而提高TEM模式向SSP的耦合效率，传输至同轴圆柱形深度渐变螺旋光栅；
4)同轴圆柱形深度渐变螺旋光栅将压缩后的TEM模式逐渐过渡到SSP模式；
5)SSP模式经敞口金属盖板释放至SSP传输线；SSP传输线为螺旋光栅，是一种周期结构，根据周期结构弗洛奎特定理，螺旋光栅的本征电磁场
Figure FDA0002887285780000031
表达式为：
Figure FDA0002887285780000032
其中，Fvn(r)是径向电场的表达式，v是角向的模式阶数，n是轴向谐波次数，F()为表达式函数，r、
Figure FDA0002887285780000033
和z分别代表圆柱坐标系中的径向分量、角向分量与轴向分量，β0是在轴向基波的传播常数，βn＝β0+2nπ/d是第n次谐波的传播常数，
Figure FDA0002887285780000034
项为角向的相位表达式，其表示相位在角向一周是变化的，表明螺旋光栅中本征电磁场携带有OAM模式，即在SSP传输线中传输的SSP模式携带有OAM模式，但SSP模式被局缚在SSP传输线的表面，只能沿着SSP传输线的表面传播，而无法形成自由空间辐射；
6)SSP模式受到加载在SSP传输线外的辐射阵列的衍射作用，SSP模式的波矢叠加上衍射所产生的谐波波矢，产生频谱搬移效应；叠加后的波矢存在小于自由空间波矢的部分，从而这部分波矢将对应频率的SSP模式转换为自由空间辐射波；由于SSP模式携带有OAM模式，从而转化成自由空间辐射波的电磁分布也携带OAM模式，即得到了向自由空间辐射的OAM模式；
7)SSP模式由第二波导馈电装置的敞口金属盖板接收，经同轴圆柱形深度渐变螺旋光栅转变为TEM模式，再经过渡段和同轴线连接段输出至同轴线，将结构中未辐射出的能量输出，同时减少系统中的反射，避免反射引起系统损耗；
8)选择工作频段为辐射区只有一个辐射模式对应的频段，从而提高OAM模式的纯度；
9)根据波矢匹配关系，在工作频率f0时的辐射角度θ为：
Figure FDA0002887285780000041
其中，kz0是与工作频率f0对应的纵向波矢，θ为OAM辐射方向与z轴正向的夹角，p为辐射阵列的周期，在同一个工作频段内，辐射方向与工作频率一一对应，从而通过控制工作频率操控OAM模式的辐射方向；
10)轨道角动量模式的旋转方向与螺旋光栅的旋转方向一致。
10.如权利要求9所述的实现方法，其特征在于，在步骤10)中，螺旋光栅具有手性，如果从第一至第二波导馈电装置的螺旋光栅的旋转方向为左旋，电磁波的传输方向也是从第一至第二波导馈电装置，那么轨道角动量的旋转方向为左旋，如果电磁波的传输方向是从第二至第一波导馈电装置，那么轨道角动量的旋转方向为右旋；反之，如果从第一至第二波导馈电装置的螺旋光栅的旋转方向为右旋，电磁波的传输方向也是从第一至第二波导馈电装置，那么轨道角动量的旋转方向为右旋，如果电磁波的传输方向是从第二至第一波导馈电装置，那么轨道角动量的旋转方向为左旋。
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