CN112018520A - 基于人工电磁平面材料的调控板、涡旋天线及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于人工电磁平面材料的调控板、涡旋天线及加工方法，解决了现有技术中微波频段涡旋电磁波的产生方法存在加工精度要求较高，设计难度大的问题，具有利用人工电磁材料实现了相位调控的平面化，且方便加工的有益效果，具体方案如下：一种基于人工电磁平面材料的调控板，包括组成所述调控板的多个单元结构，多个单元结构按照设定的排布方式进行设置，单元结构具有金属板和设于金属板一侧的介质板，调控板沿着其中心向外分为多个区域，每一区域中所有单元结构中金属板的尺寸与相邻区域中单元结构的金属板尺寸相异。

Description

基于人工电磁平面材料的调控板、涡旋天线及加工方法

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其是一种基于人工电磁平面材料的调控板、涡旋天线及加工方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

随着当下5G时代的来临，以及人们的生活日益信息化和智能化，不断增多的通信业务使得不可再生的频谱资源日益紧缺，无线传输的数据量都呈现爆炸式增长，而无线通信系统所能分配的频谱变得异常拥挤，在现有的复用条件下移动通信系统的容量已接近极限。为了进一步提升通信系统的容量和频谱效率，满足未来无线传输数据业务的增长需求，迫切需要探索更高速、更高效的新一代无线通信技术。涡旋电磁波，因携带有轨道角动量(OAM)，从而体现出除了传统的强度、相位、频率、极化等自由度之外的一种新型自由度，理论上在任意频率下都具有无穷多种互不干扰的正交模态，利用这一正交模态可以有效地提升频谱效率与通信容量，并且近年来其在雷达成像，无线通讯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。但是如何便捷和高效产生所需要的涡旋电磁波一直是一个技术难点。

目前来说，微波频段涡旋电磁波的产生方法可归纳为三个大类：第一类方法为准光学方法，也可以称作平面波转化法，即涡旋电磁波是通过对入射平面波进行一系列处理，使得波束在方位角上产生线性相位滞后而得到；第二类方法为高次模贴片法，通过工作于高阶谐振模式TM_nm的圆极化贴片天线来产生非零模式的涡旋电磁波；第三类方法即环形阵列法，通过给阵列单元馈入不同的相位来生成涡旋波束。

现有研究中，平面波转化的一种方法为反射型，能缩短涡旋场反射面天线的焦距,降低天线整体所占空间，但反射型的方法要求高加工精度高，尺寸大，质量大等缺点。OAM模式固定，不可调。

平面波转化的另一种方法为透射型，通过厚度螺旋增加的介质板，改变调控板上的不同位置处的电尺寸，从而控制电磁波在穿过不同位置的调控板时会产生不同的相位延迟，来产生涡旋波束，这种传统的透射型方法同样要求加工精度高。OAM模式固定，不可调。

高次模贴片法：需要设计特殊的激励馈电方式，馈电点位置需要很精确，产生的OAM信号纯度不高，馈电位置确定后OAM模式固定，模式无法改变，不可调。

环型阵列法：采用固定馈电网络的环形天线阵，主要缺点是阵列只能生成特定模式的轨道角动量波束，无法通过改变馈线调节的相位来生成多种OAM模，OAM模式固定，实现涡旋电磁波需要复杂的馈线结构，设计和加工难度大。

总的来说，现有的微波频段涡旋电磁波的产生方法存在加工精度要求较高，设计难度大的问题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于人工电磁平面材料的调控板，该平板分为多个区域，每个区域金属板的尺寸是变化的，这样电磁波在经过调控板时，可改变板上相应位置处的透射相位，从而控制电磁波在穿过不同位置的调控板时会产生不同的相位延迟，从而有效产生涡旋波束。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

一种基于人工电磁平面材料的调控板，包括组成所述调控板的多个单元结构，多个单元结构按照设定的排布方式进行设置，单元结构具有金属板和设于金属板一侧的介质板，调控板沿着其中心向外分为多个区域，每一区域中所有单元结构中金属板的尺寸与相邻区域中单元结构的金属板尺寸相异。

上述的调控板，分为多个区域，因相邻区域中金属板的尺寸是不同的，这样相同频率的电磁波经过8个区域后具有不同的透射相位，从而控制电磁波在穿过调控板不同位置时会产生不同的相位延迟，来产生涡旋波束，该调控板对电磁波的相位进行了调质，使得电磁波转换为具备OAM模式的涡旋电磁波。

如上所述的一种基于人工电磁平面材料的调控板，按照顺时针方向，从所述调控板的一条中心线起，所有区域中所有单元结构中金属板的尺寸逐渐减小或逐渐增大，可使得各个区域的透射相位顺序增加或顺序减少。

如上所述的一种基于人工电磁平面材料的调控板，所述单元结构包括依次设置的多层结构件，相邻的多层结构件连接或叠放设置，每一结构件均包括依次设置的所述的金属板和介质板，金属板设于介质板的前侧，通过金属板的尺寸决定基于人工电磁材料调控板的透射相位。

如上所述的一种基于人工电磁平面材料的调控板，所述金属板包括方形金属贴片和设于方形金属贴片周侧的环状金属贴片。

如上所述的一种基于人工电磁平面材料的调控板，每一所述单元结构中，所述多层结构件中所述金属板的结构和尺寸相同，所述介质板的结构和尺寸也是相同的。

如上所述的一种基于人工电磁平面材料的调控板，所述调控板的所述单元结构包括3层所述的多层结构件，这样使得单元结构形成金属板、介质板、金属板、介质板、结束板和介质板的结构形式。

如上所述的一种基于人工电磁平面材料的调控板，所述调控板分为8个区域，且相邻两区域的夹角均相同；

进一步，作为优选，所述调控板为方形或圆形，能够保证调控板分的各个区域是均匀的。

第二方面，本发明还提供了一种基于人工电磁平面材料的涡旋天线，包括所述的一种基于人工电磁平面材料的调控板，调控板的一侧设置喇叭天线，喇叭天线与调控板之间有设定的距离，且喇叭天线靠近单元结构中介质板的一侧设置。

如上所述的一种基于人工电磁平面材料的涡旋天线，包括多个叠放设置的所述的一种基于人工电磁平面材料的调控板。

如上所述的一种基于人工电磁平面材料的涡旋天线，所述喇叭天线与所述的一种基于人工电磁平面材料的调控板之间的距离为1～5倍工作频段波长。

第三方面，本发明还提供了一种基于人工电磁平面材料的调控板的加工方法，包括如下内容：

采用电路板刻蚀机加工所述的基于人工电磁平面材料的调控板。

上述本发明的有益效果如下：

1)本发明基于人工电磁材料的调控板，结构简洁，尺寸和质量是可控的，相比现有技术来说，是较小的，且可进行多层叠加，实现更多量子信息，可通过对电磁材料单元结构尺寸的变化，对透射相位进行调控，从而实现对空间相位的调质，利用人工电磁材料实现了相位调控的平面化；而且整个调控板可采用电路板刻蚀技术进行加工，加工工艺是比较成熟的，加工难度小，加工精度要求相对较低。

2)本发明利用金属板和介质板构建多层结构，喇叭天线产生不具备涡旋信息的电磁波，通过改变金属板的尺寸，可以改变调控板上相应位置处的透射相位，从而控制电磁波在穿过调控板不同位置时会产生不同的相位延迟，来产生涡旋波束，而且通过旋转调控板实现涡旋可调，更加灵活，使得产生的涡旋电磁波转动角动量(OAM)可调。

3)本发明通过每一单元结构中金属板中环状金属贴片的尺寸与介质板的尺寸决定了基于人工电磁材料的调控板的工作频率。

4)本发明通过叠放设置多个调控板，对调控板进行叠加，可产生更多的涡旋电磁波，进一步实现涡旋可调。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的一种基于人工电磁平面材料的涡旋天线的主视图。

图2是本发明根据一个或多个实施方式的一种基于人工电磁平面材料的调控板分为8个区域的示意图。

图3是本发明根据一个或多个实施方式的一种基于人工电磁平面材料的调控板单元结构的示意图。

图4是本发明根据一个或多个实施方式的一种基于人工电磁平面材料的涡旋天线中调控板叠放示意图。

图5是本发明根据一个或多个实施方式的不同结构参数下人工电磁材料的透过相位。

图6是本发明根据一个或多个实施方式的一种基于人工电磁平面材料的涡旋天线进场相位分布图。

图7是本发明根据一个或多个实施方式的一种基于人工电磁平面材料的涡旋天线方向示意图。

图8是本发明根据一个或多个实施方式的一种基于人工电磁平面材料的涡旋天线在调控板叠放时，天线进场相位分布图。

图9是本发明根据一个或多个实施方式的一种基于人工电磁平面材料的涡旋天线在调控板叠放时，天线方向示意图。

图10是本发明根据一个或多个实施方式的一种基于人工电磁平面材料的涡旋天线轨道角动量波束相位及幅度示意图。

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意。

其中：1.调控板，2.喇叭天线，3、4、5、6、7、8、9、10为调控板的各个区域，11.方形金属贴片，12.方形环状金属贴片，13.介质板，14.方形金属贴片，15.方形环状金属贴片，16.介质板，17.方形金属贴片，18.方形环状金属贴片，19.介质板。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅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设备或元件必须具有特定的方位，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。

术语解释部分：本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在微波频段涡旋电磁波的产生方法存在加工精度要求较高，设计难度大的问题，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种基于人工电磁平面材料的调控板。

本发明的一种典型的实施方式中，参考图1所示，一种基于人工电磁平面材料的调控板，调控板1分为多个区域，可以是3个及以上的区域，人工电磁材料相位调控板包括多个单元结构，多个单元结构按照设定的排布方式进行布置，如可以是呈8行8列或者其他n行n列(n为自然数)进行布置，从前至后，每一单元结构依次包括有多层结构件，每一结构件均包括依次设置的金属板和介质板，多层结构件形成了金属板和介质板间隔设置的结构。

每一区域中所有单元结构中金属板的尺寸与相邻区域中单元结构的金属板尺寸相异。针对一些示例，按照顺时针方向，从调控板的一条中心线起，所有区域中所有单元结构中金属板的尺寸逐渐减小或逐渐增大。

本实施例以调控板为方形，且调控板1分为8个区域为例，参考图2所示，因每一区域金属板的尺寸发生变化，相同频率的电磁波经过8个区域具有不同的透射相位。沿着区域3、4、5、6、7、8、9、10顺序透射相位按照等增加量增加，透射相位环绕一周增加2πN(N＝1,2,3...正整数)，则可以产生l为正数的涡旋电磁波。沿着3、4、5、6、7、8、9、10顺序透射相位按照等较小量减小，透射相位环绕一周减少2πN(N＝1,2,3...正整数)，则可以产生l为负数的涡旋电磁波。

其中，人工电磁相位调控板的区域3、4、5、6、7、8、9、10分别由不同的单元结构排列组成，需要说明的是，位于相邻两区域的边界线(位于每一区域斜边)上单元结构的金属板尺寸与前一个区域中单元结构金属板的尺寸相同。

进一步，金属板包括方形金属贴片和设于方形金属贴片周侧的环状金属贴片。

具体地，单元结构为方形，参考图3所示，单元结构包括3层多层结构件，这样从前到后，单元结构包括6层，第一层由方形金属贴片11和方形环状金属贴片12组成的金属贴片，第二层是13介质板，第三层是由方形金属贴片14和方形环状金属贴片15组成的金属贴片，第四层是介质板16，第五层是由方形金属贴片17和方形环状金属贴片18组成的金属贴片，第六层是介质板19，介质板都为方形。

其中，每一结构件中金属板固定于介质板，且这依次设置的多层结构件通过螺栓或粘结剂固定连接，当然，还可以是其他的固定方式进行连接，不做限定，且每一结构单元中多层结构件的结构和尺寸是相同的。

容易理解的是，方形环状金属贴片还可以是圆形的环状金属贴片。

进一步，单元结构中，方形金属贴片11、方形金属贴片14和由方形金属贴片17设置的结构和尺寸都是相同的，环状金属贴片12、环状金属贴片15和环状金属贴片18的尺寸都是相同的，且介质板13、介质板16和介质板19的结构和尺寸都是相同的。

可以理解的是，环状金属贴片12、环状金属贴片15和环状金属贴片18的尺寸同介质板13、介质板16和介质板19的尺寸决定了基于人工电磁材料的调控板的工作频率。介质板13，介质板16和介质板19的尺寸增大时，单元结构的工作频率向低频偏移，尺寸减小时候，单元结构的工作频率向高频移动，环状金属贴片12、环状金属贴片15和环状金属贴片8的外边框尺寸增大时，单元结构的工作频率向低频偏移，尺寸减小时候，单元结构的工作频率向高频移动，同时对金属环和介质板的尺寸进行调节，两个尺寸配合可以调整单元结构的工作频率。

方形金属贴片11、由方形金属贴14和由方形金属贴17的尺寸决定了人工电磁材料的透射相位，方形金属贴片的尺寸不同，透射相位自然不同。

而且，多个人工电磁材料相位调控板叠加使用，参考图4所示，如两个l＝+1的人工电磁材料相位调控板叠加，可以产生l＝+2的涡旋电磁波。

容易理解的是，基于人工电磁材料的调控板水平转动180度，即可产生符号相反旋相的电磁信号。

需要说明的是，不论是方形金属贴片还是环状金属贴片，金属贴片的材料可以是金、银、铜、铝中的任一种或任意多种组成的合金材料，当然也可以是其他的导电材料。

介质板的材料为高频介质板材。

此外，在其他一些示例中，整个调控板1还可为圆形形状。

实施例二

一种基于人工电磁平面材料的涡旋天线，参考图1所示，包括实施例一所述的调控板和喇叭天线，喇叭天线产生不具备涡旋信息的线极化电磁波，电磁波经过人工电磁材料相位调控板，对电磁波的相位进行了调质，使得电磁波转换为具备轨道角动量(OAM)模式的涡旋电磁波。

参考图4所示，涡旋天线包括多个叠放设置的所述的一种基于人工电磁平面材料的调控板，相邻的调控板可通过螺栓或粘结剂黏贴连接。

具体地，在调控板的一侧设置喇叭天线，喇叭天线与调控板之间有设定的距离，且喇叭天线靠近单元结构中介质板的一侧设置，在本实施例中，喇叭天线与调控板之间的距离为1～5倍工作频段波长。

根据上述的内容制作了一个工作频率为10GHz的涡旋天线，人工电磁材料相位调控板的尺寸参数如表所示：

其中，金属贴片材料为铜，介质板材料为罗杰斯4003C型号板材。

图5为不同结构参数下人工电磁材料的透过相位，可见该结构在10GHZ实现了透射相位由+180度到-180度的变化，即2π的变化。

参考图6所示，从中可以明显地观察到OAM电磁波所特有的中心相位奇点和螺旋相位结构，环绕中心旋转一周，电磁波的相位变化对应着一个相位周期2π，空间相位沿顺时针方向逐渐增大，完美展现了l＝+1的OAM波束所具有的螺旋相位波前。

图7给出了天线在10GHz的方向图，可见其幅度在波束轴中心处存在零点和凹陷(表明有涡旋产生)，与涡旋电磁波波束的相位奇点位置所对应，复合涡旋天线的辐射特性。

将两个人工电磁材料相位调控板按照图4的形式叠加在一起形成一个新的涡旋天线，图8给出了调控板叠放时，天线进场相位分布图，从中可以明显地观察到OAM电磁波所特有的中心相位奇点和螺旋相位结构，出现两个环绕中心旋转一周曲线，电磁波的相位变化对应着两个相位周期4π，空间相位沿顺时针方向逐渐增大，完美展现了l＝+2的OAM波束所具有的螺旋相位波前。

图9给出了人工电磁调控板叠加之后的天线在10GHz的方向图，可见其幅度在波束轴中心处存在零点和凹陷(表明有涡旋产生)，与涡旋电磁波波束的相位奇点位置所对应，复合涡旋天线的辐射特性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于人工电磁平面材料的调控板，其特征在于，包括组成所述调控板的多个单元结构，多个单元结构按照设定的排布方式进行设置，单元结构具有金属板和设于金属板一侧的介质板，调控板沿着其中心向外分为多个区域，每一区域中所有单元结构中金属板的尺寸与相邻区域中单元结构的金属板尺寸相异。

2.根据权利要求1所述的一种基于人工电磁平面材料的调控板，其特征在于，按照顺时针方向，从所述调控板的一条中心线起，所有区域中所有单元结构中金属板的尺寸逐渐减小或逐渐增大。

3.根据权利要求1所述的一种基于人工电磁平面材料的调控板，其特征在于，所述单元结构包括依次设置的多层结构件，相邻的多层结构件连接或叠放设置，每一结构件均包括依次设置的所述的金属板和介质板，金属板设于介质板的前侧。

4.根据权利要求1所述的一种基于人工电磁平面材料的调控板，其特征在于，所述金属板包括方形金属贴片和设于方形金属贴片周侧的环状金属贴片。

5.根据权利要求3所述的一种基于人工电磁平面材料的调控板，其特征在于，每一所述单元结构中，所述多层结构件中所述金属板的结构和尺寸相同，所述介质板的结构和尺寸也是相同的。

6.根据权利要求1所述的一种基于人工电磁平面材料的调控板，其特征在于，所述调控板的所述单元结构包括3层所述的多层结构件。

7.根据权利要求1所述的一种基于人工电磁平面材料的调控板，其特征在于，所述调控板分为8个区域，且相邻两区域的夹角均相同；

所述调控板为方形或圆形。

8.一种基于人工电磁平面材料的涡旋天线，其特征在于，包括权利要求1-7中任一项所述的一种基于人工电磁平面材料的调控板，调控板的一侧设置喇叭天线，喇叭天线与调控板之间有设定的距离，且喇叭天线靠近单元结构中介质板的一侧设置。

9.根据权利要求8所述的一种基于人工电磁平面材料的涡旋天线，其特征在于，包括多个叠放设置的所述的一种基于人工电磁平面材料的调控板；

所述喇叭天线与所述的一种基于人工电磁平面材料的调控板之间的距离为1～5倍工作频段波长。

10.根据权利要求1-7中任一项所述的一种基于人工电磁平面材料的调控板的加工方法，其特征在于，包括如下内容：

采用电路板刻蚀机加工所述的基于人工电磁平面材料的调控板。

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