CN111987472A - 一种多波束可重构的涡旋场超表面透镜折叠天线 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种多波束可重构的涡旋场超表面透镜折叠天线，包括透镜、馈源、反射面和支撑结构。透镜包括依次层叠的第一介质板，并印制均匀排布的矩形金属贴片和十字形金属贴片。反射面包括第二介质板，金属地，蝴蝶形金属贴片和PIN二极管。本发明通过对各向异性超表面透镜和极化转换有源超表面反射面的融合设计，实现一种多波束可重构的涡旋场超表面透镜折叠天线。利用PIN二极管的通断两种状态实现极化转换功能，产生不同极化状态的电磁波激励各向异性超表面透镜，实现了多波束可重构的涡旋波辐射。

Description

一种多波束可重构的涡旋场超表面透镜折叠天线

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及天线技术领域中的一种多波束涡旋场可重构的超表面透镜折叠天线。本发明可用于通信系统中发射并复用不同的涡旋波信号。

技术背景

涡旋电磁波是携带有轨道角动量的螺旋电磁波束，由于其不同模式的轨道角动量之间具有良好的正交性，所以在同一工作频率下能够形成大量复用通道，可以提高频谱利用率和通信容量。多波束天线能够在一个天线口径面上产生两个或多个波束，实现波束赋形，有效增加天线的覆盖范围。然而，利用传统阵列天线产生携带有涡旋电磁波的多波束天线，需要复杂的馈电相移网络，不但要保证不同辐射单元之间的相位关系，还要做到功率的一致以保证涡旋电磁波模态的纯度。利用超表面的口径场叠加原理可以实现多个波束的涡旋电磁波且纯度较高，但是该方法只能产生一种多波束涡旋波辐射，一旦天线结构固定，其波束特性将不能改变，无法实现天线的多波束可重构设计。

西安电子科技大学在其申请的专利文献“一种基于超表面的四波束涡旋场卡塞格伦透镜天线”(申请号：CN201811566784.9，申请公开号：CN109698407A)中提出了一种可以产生四个1模态涡旋波束的卡塞格伦透镜天线。该天线包括透镜、馈源、反射面和支撑结构，其中透镜部分包括多个依次层叠的第一介质板并印制有均匀排布的第一贴片阵列。该天线以印刷电路板的方式制作，工艺简单，成本低，通过将第一贴片阵列划分为多个矩形区域，且对相邻矩形区域附加180度相位差，可以得到四个不同方向的涡旋场。但是，该卡塞格伦透镜天线仍然存在不足之处是：第一，该天线虽然实现了四个1模态的涡旋电磁波，但其四个波束方向和涡旋电磁波模态值不能单独的任意改变，无法实现通信系统中不同涡旋波复用传输。第二，该天线结构一旦固定，其多波束辐射特性不能改变，无法实现多波束可重构设计。

综上所述，目前涡旋场超表面透镜折叠天线存在两个问题，其一是，现有的涡旋波透镜折叠天线难以实现任意波束指向和任意涡旋波模态的多波束辐射。其二，现有的涡旋波透镜折叠天线，难以实现多波束可重构设计。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种多波束可重构的涡旋场超表面透镜折叠天线，用于解决涡旋场超表面透镜折叠天线无法实现通信系统中不同涡旋波复用传输、天线辐射不灵活问题。

实现本发明目的的思路是：通过对各向异性超表面透镜和极化转换有源超表面反射面的融合设计，实现一种多波束可重构的涡旋场超表面透镜折叠天线。利用口径场叠加原理，解决涡旋场超表面透镜折叠天线在通信系统中不同涡旋波复用传输的问题，且针对不同极化电磁波激励呈现不同的涡旋波辐射。同时在涡旋场超表面透镜折叠天线的反射面中加入PIN二极管，通过改变该反射面PIN二极管的偏置电压从而反射不同极化的电磁波，并经过各向异性超表面透镜产生不同极化的多波束涡旋波，实现整个超表面透镜折叠天线的波束重构设计。

为实现上述目的，本发明包括在支撑结构一侧依次设置的采用镂空中心的各向异性超表面透镜、镂空中心部分放置的馈源和反射面；所述各向异性超表面透镜包括K个沿z轴依次层叠的第一介质板，K≥2且为偶数，其中奇数层第一介质板面向反射面的一面和最后一个偶数层第一介质板背离反射面的一面，分别印制有由a₁×b₁个均匀排布的各项异性的矩形金属贴片组成的第一贴片阵列，a1≥4，b₁≥4，偶数层第一介质板面向反射面的一面印制有由a₂×b₂个均匀排布的正十字形金属贴片组成的第二贴片阵列，a₂≥4，b₂≥4；所述反射面包括第二介质板、背向各向异性超表面透镜印制的金属地、a3个均匀排布的蝴蝶形金属贴片和PIN二极管，每个PIN二极管均嵌入蝴蝶形金属贴片中间，a3≥2；所述各项异性矩形金属贴片由边长不等的矩形组成，能够分别针对主极化波和交叉极化波进行不同调制，其主极化金属边和交叉极化金属边相对应的尺寸，将根据相应的相位补偿值得到每个各向异性矩形金属贴片的主极化金属边和交叉极化金属边相位值相对应的尺寸；所述反射面在PIN二极管的ON状态产生主极化波，在OFF状态产生交叉极化波；所述蝴蝶形金属贴片各自的相位值由公式计算得到，再通过实验仿真得到与相位值相对应的尺寸参数。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

第一，本发明是反射面和透镜的融合设计，实现了折叠天线的可重构设计。由于本发明的各项异性矩形金属贴片由边长不等的矩形组成，能够分别针对主极化波和交叉极化波进行不同调制，且反射面在PIN二极管的ON状态产生主极化波，在OFF状态产生交叉极化波。因此可以通过改变反射面PIN二极管的偏置电压反射不同极化的电磁波，并经过各向异性超表面透镜分别产生不同极化的多波束涡旋波，克服了现有技术的涡旋波透镜折叠天线辐射不可重构的问题，使得本发明具有天线灵活辐射的优点。

第二，本发明各向异性的多波束辐射设计。由于本发明各向异性矩形金属贴片由边长不等的主极化金属边和交叉极化金属边组成，能够针对不同极化入射的电磁波经过各向异性透镜时分别进行调制，产生多个涡旋波束，每个波束的指向、模态值均不相同，能够实现涡旋波通信中任意波束指向和任意涡旋波模态的多波束和多极化辐射，克服了现有技术的多波束辐射的问题，使得本发明可用于通信系统中，具有复用不同涡旋波信号传输的优点。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的各向异性超表面透镜结构示意图；

图3是本发明各向异性矩形金属贴片的结构示意图；

图4是本发明正十字形金属贴片的结构示意图；

图5是本发明的反射面结构示意图；

图6是本发明反射面极化转换随频率变化结果图；

图7是本发明反射面极化转换随角度变化结果图；

图8是本发明涡旋场超表面透镜折叠天线x极化辐射方向图；

图9是本发明涡旋场超表面透镜折叠天线y极化辐射方向图；

图10是本发明涡旋场超表面透镜折叠天线x极化涡旋波相位分布图；

图11是本发明涡旋场超表面透镜折叠天线y极化涡旋波相位分布图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步的描述，本实例包括但不限于以下实施例。

参照图1，对本发明的结构作进一步详细说明。

本发明包括在支撑结构4一侧依次设置的采用镂空中心的各向异性超表面透镜1、镂空中心部分放置的馈源2和反射面3。所述馈源2采用角锥喇叭结构，固定在各向异性超表面透镜1中心镂空处，并以中心镂空处作为坐标原点，z轴垂直于各向异性超表面透镜，x轴平行于角锥喇叭窄边，y轴平行于角锥喇叭宽边建立笛卡尔坐标系。

本发明实施例的馈源2分为波导部分和张角部分，因为本发明实施例需要6.8GHz入射波，所以波导部分采用标准WR137波导，张角部分开口面正对反射面3，设置喇叭天线相位中心位于张角部分的开口面中心的坐标为(0mm,0mm,101.6mm),波导部分沿坐标x的变化区间为[-17.425mm,17.425mm]，沿坐标y的变化区间为[-7.9mm,7.9mm]，沿坐标z的变化区间为[-33.87mm,0mm]。馈源2采用正馈方式，即各向异性超表面透镜1、馈源2和反射面3的中心点在同一条直线上。

参照图2，对本发明的透镜结构作进一步的描述。

本发明各向异性超表面透镜1包括K个沿z轴依次层叠的第一介质板11，K≥2且为偶数，其中奇数层第一介质板面向反射面3的一面和最后一个偶数层第一介质板背离反射面3的一面，分别印制有由a₁×b₁个均匀排布的各向异性矩形金属贴片111组成的第一贴片阵列，a₁≥4，b₁≥4，偶数层第一介质板面向反射面3的一面印制有由a₂×b₂个均匀排布的正十字形金属贴片112组成的第二贴片阵列，a₂≥4，b₂≥4。

本发明中实施例的各向异性超表面透镜1采用中心镂空的超表面结构，包括6个沿z轴依次层叠的且结构相同的第一介质板11。每个介质板采用厚度为1mm、相对介电常数为4.4、相对磁导率为1的材料，介质板11的边长为500mm，沿坐标x的变化区间为[-250mm,250mm],沿坐标y的变化区间为[-250mm,250mm],沿坐标z的变化区间为[-1mm,0mm]。其中奇数层第一介质板面向反射面3的一面和最后一个偶数层第一介质板背离反射面3的一面，分别印制有由50×50个均匀排布的各项异性的矩形金属贴片111组成的第一贴片阵列。偶数层第一介质板面向反射面3的一面印制有由50×50个均匀排布的正十字形金属贴片112组成的第二贴片阵列。

参照图3，对本发明各向异性矩形金属贴片作进一步的描述。

本发明每个各项异性矩形金属贴片由边长不等的矩形组成，包括主极化金属边1111和交叉极化金属边1112，通过计算每个主极化金属边1111和交叉极化金属边1112的相位补偿值后，再经过仿真实验得到每个各向异性矩形金属贴片的主极化金属边1111和交叉极化金属边1112相位值相对应的尺寸。本实施取但不限于p范围为[1mm，9mm]，q范围为[1mm，9mm]。每个各向异性矩形金属贴片的主极化金属边1111相位值Φ₁ ^x和交叉极化金属边1112相位值Φ₁ ^y是由下式计算得到的：

其中，k表示自由空间中电磁波的波数，f_1x,f_1y,f_1z表示各向异性超表面透镜的焦点坐标值，x₁,y₁,z₁表示各向异性矩形金属贴片的中心坐标值，∑表示求和操作，N表示涡旋波总数，i表示涡旋波波束序号，1≤i≤N，sin表示正弦操作，θ_i表示由涡旋场超表面透镜折叠天线产生的第i个波束的俯仰角，cos表示余弦操作，

表示由涡旋场超表面透镜折叠天线产生的第i个波束的方位角，l_i表示由涡旋场超表面透镜折叠天线产生的第i个波束的涡旋波模态值，arctan表示反正切操作。

本发明实施例各向异性超表面透镜的焦点坐标为(0mm,0mm,250mm)，x₁取值范围[-240mm,240mm],y₁取值范围[-240mm,240mm],z₁＝0mm，N＝3，涡旋场超表面透镜折叠天线产生的x极化的涡旋波波束方位角、俯仰角和涡旋波模态值分别为：

产生的y极化的涡旋波波束方位角、俯仰角和涡旋波模态值分别为：

参照图4，对本发明正十字形金属贴片的结构作进一步的描述。

本发明每个正十字形金属贴片112是由两条臂长为r，臂宽为g的矩形拼接而成的正十字形金属贴片，本发明的实施取但不限于，r＝10mm，g范围为[0.1mm，0.5mm]。

参照图5，对本发明的反射面结构作进一步的描述。

本发明反射面3包括第二介质板31、背向各向异性超表面透镜1印制的金属地312、a₃个均匀排布的蝴蝶形金属贴片311和PIN二极管313，每个PIN二极管均嵌入蝴蝶形金属贴片中，a₃≥2。

蝴蝶形金属贴片311的相位值根据口径场叠加公式计算得到，再通过实验仿真得到与相位值相对应的尺寸参数。

蝴蝶形金属贴片311相位值Φ₂是由下述的口径场叠加公式式计算得到的：

其中，f_2x,f_2y,f_2z表示馈源2的中心坐标值，x₂,y₂,z₂表示蝴蝶形金属贴片311的中心坐标值。

本发明实施例反射面的第二介质板31采用厚度为3mm、相对介电常数为4.4、相对磁导率为1的材料，第二介质板为半径80mm圆形，沿坐标x的变化区间为[-80mm,80mm],沿坐标y的变化区间为[-80mm,80mm],沿坐标z的变化区间为[176mm,173mm]。第二介质板31面向各向异性超表面透镜1的一侧印制有177个均匀排布的蝴蝶形金属贴片311，另一个侧面印制金属地312，其中每个蝴蝶形金属贴片311中间固定有PIN二极管313。其中，本发明实施例取但不限于馈源2中心坐标为(0mm,0mm,101.6mm)，x₂,y₂,z₂为蝴蝶形金属贴片331坐标，x2取值范围为[-80mm,80mm],y2取值范围[-80mm,80mm]，z₂＝170mm，r＝10mm，s＝2.8mm，t＝0.5mm，w＝5.6mm，u＝0.5mm，v＝1.1mm二极管断开状态处于电容状态，容值为0.28pf，打通为电阻状态，阻值为0.5Ω。

以下结合本发明实施例的仿真实验，对本发明的技术效果作进一步详细描述。

1.仿真条件：

本发明实施例的仿真实验硬件平台为：处理器为Intel i7 9700 CPU，主频为3.00GHz，内存64GB。

本发明实施例的仿真实验软件平台为：Windows 10操作系统和CST2017。

2.仿真内容及其结果分析：

本发明的仿真实验有8个，其中本发明实施例中反射面的仿真实验有4个，整体全波仿真有2个，相位扫描有2个。

仿真实验1，对本发明实施例中极化转化单元在0.5V偏置电压、0°电磁波入射角和6～7GHz频率范围内的条件下进行全波仿真，仿真结果如图6中的实线所示。图6中的横坐标表示仿真频率，单位是GHz，范围是6～7GHz，纵坐标表示极化转化率，范围是-1～1。由图6可见，本发明实施例中极化转化单元在0.5V偏置电压、0°电磁波入射角和6.8GHz频率条件下极化转化率接近1，说明本发明仿真实验1的反射面反射的电磁波没有发生极化转换。

仿真实验2，对本发明实施例中极化转化单元在2.0V偏置电压、0°电磁波入射角和6～7GHz频率范围内的条件下进行全波仿真，仿真结果如图6中的虚线所示。由图6可见，本发明实施例中极化转化单元在2.0V偏置电压、0°电磁波入射角和6.8GHz频率条件下极化转化率接近-1，说明本发明仿真实验2的反射面反射的电磁波发生极化转换。

仿真实验3，对本发明实施例反射面在0.5V偏置电压，6.8GHz频率和入射角0°～35°范围内的条件下进行全波仿真，仿真结果如图7中实线所示。图7中的横坐标表示入射波的入射角度，单位是deg，范围是0°～35°，纵坐标表示极化转化率，范围是-1～1。由图7可见，本发明实施例中反射面在0.5V偏置电压，6.8GHz频率和入射角0°～35°范围内的条件下极化转化率接近1，说明本发明仿真实验3的反射面反射的电磁波没有发生极化转换。

仿真实验4，对本发明实施例中反射面在2.0V偏置电压，6.8GHz频率和入射角0°～35°范围内的条件下进行全波仿真，仿真结果如图7中虚线所示。由图7可见，本发明实施例中反射面在2.0V偏置电压，6.8GHz频率和入射角0°～35°范围内的条件下极化转化率接近-1，说明本发明仿真实验4的反射面反射的电磁波发生极化转换。

仿真实验5，对本发明实施例在0.5V偏置电压和6.8GHz频率条件下进行全波仿真，仿真结果如图8所示。图8中显示本发明实施例在0.5V偏置电压和6.8GHz频率条件下，产生了#1、#2和#3三个指向不同的涡旋波束，最大增益为12.8dBi。

仿真实验6，对本发明实施例在2.0V偏置电压和6.8GHz频率条件下进行全波仿真，仿真结果如图9所示。图9中显示本发明实施例在2.0V偏置电压和6.8GHz频率条件下，产生了#1、#2和#3三个指向不同的涡旋波束，最大增益为14.8dBi。

仿真实验7，对本发明实施例在0.5V偏置电压和6.8GHz频率条件下对三个指向不同的涡旋波束进行扫描，扫描结果如图10所示。图10中显示本发明实施例在0.5V偏置电压和6.8GHz频率条件下，#1、#2和#3分别产生了三个不同模态的涡旋波束。

仿真实验8，对本发明实施例在2.0V偏置电压和6.8GHz频率条件下对三个指向不同的涡旋波束进行扫描，扫描结果如图11所示。图11中显示本发明实施例在2.0V偏置电压和6.8GHz频率条件下，#1、#2和#3分别产生了三个不同模态的涡旋波束。

Claims (3)

1.一种多波束可重构的涡旋场超表面透镜折叠天线，包括在支撑结构(4)一侧依次设置的采用镂空中心的各向异性超表面透镜(1)、镂空中心部分放置的馈源(2)和反射面(3)；所述各向异性超表面透镜(1)包括K个沿z轴依次层叠的第一介质板(11)，K≥2且为偶数，其中奇数层第一介质板面向反射面(3)的一面和最后一个偶数层第一介质板背离反射面(3)的一面，分别印制有由a₁×b₁个均匀排布的各项异性的矩形金属贴片(111)组成的第一贴片阵列，a₁≥4，b₁≥4，偶数层第一介质板面向反射面(3)的一面印制有由a₂×b₂个均匀排布的正十字形金属贴片(112)组成的第二贴片阵列，a₂≥4，b₂≥4；其特征在于：所述反射面(3)包括第二介质板(31)、背向各向异性超表面透镜(1)印制的金属地(312)、a₃个均匀排布的蝴蝶形金属贴片(311)和PIN二极管(313)，每个PIN二极管均嵌入蝴蝶形金属贴片中间，a₃≥2；所述各项异性矩形金属贴片(111)由边长不等的矩形组成，能够分别针对主极化波和交叉极化波进行不同调制，其主极化金属边(1111)和交叉极化金属边(1112)相对应的尺寸，将根据相应的相位补偿值得到每个各向异性矩形金属贴片(111)的主极化金属边(1111)和交叉极化金属边(1112)相位值相对应的尺寸；所述反射面(3)在PIN二极管(313)的ON状态产生主极化波，在OFF状态产生交叉极化波；所述蝴蝶形金属贴片(311)各自的相位值由公式计算得到，再通过实验仿真得到与相位值相对应的尺寸参数。

2.根据权利要求1所述的一种多波束可重构的涡旋场超表面透镜折叠天线，其特征在于：所述矩形金属贴片(111)的主极化金属边(1111)相位值Φ₁ ^x和交叉极化金属边(1112)相位值Φ₁ ^y是由下式计算得到的：

其中，k表示自由空间中电磁波的波数，f_1x,f_1y,f_1z表示各向异性超表面透镜(1)的焦点坐标值，x₁,y₁,z₁表示矩形金属贴片(111)的中心坐标值，∑表示求和操作，N表示涡旋波总数，i表示涡旋波波束序号，1≤i≤N，sin表示正弦操作，θ_i表示由涡旋场超表面透镜折叠天线产生的第i个波束的俯仰角，cos表示余弦操作，

表示由涡旋场超表面透镜折叠天线产生的第i个波束的方位角，l_i表示由涡旋场超表面透镜折叠天线产生的第i个波束的涡旋波模态值，arctan表示反正切操作；

所述蝴蝶形金属贴片(311)相位值Φ₂是由下式计算得到的：

其中，f_2x,f_2y,f_2z表示馈源(2)的中心坐标值，x₂,y₂,z₂表示蝴蝶形金属贴片(311)的中心坐标值。

3.根据权利要求1所述的一种多波束可重构的涡旋场超表面透镜折叠天线，其特征在于：所述各向异性超表面透镜(1)的中心法线与反射面(3)的中心法线重合；所述矩形金属贴片(111)中心与相应位置上的正十字形金属贴片(112)中心位于同一法线上。

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