CN112688088B

CN112688088B - 双极化双模涡旋反射阵天线

Info

Publication number: CN112688088B
Application number: CN202011502141.5A
Authority: CN
Inventors: 李秀萍; 黄雨菡; 郭晓斌
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2020-12-17
Filing date: 2020-12-17
Publication date: 2021-10-12
Anticipated expiration: 2040-12-17
Also published as: CN112688088A

Abstract

本公开的一个或多个实施例提供双极化双模涡旋反射阵天线，该双极化双模涡旋反射阵天线包括：线极化馈源和反射阵面；所述反射阵面朝向所述线极化馈源的一面，设置有第一区域和同心围绕所述第一区域的第二区域；所述第一区域内设置有多个用于相位补偿的第一反射阵列单元；所述第二区域内设置有多个用于相位补偿、极化旋转的第二反射阵列单元。本公开的反射阵天线可以产生双极化、双模且发散角相等的涡旋电磁波，适应雷达和通信系统对于多功能口径复用的需求，具有结构简单、稳定性高优点，可应用于无线通信领域。

Description

双极化双模涡旋反射阵天线

技术领域

本公开的一个或多个实施例涉及天线技术领域，尤其涉及双极化双模涡旋反射阵天线。

背景技术

随着无线通信技术的快速发展，空间中的频谱资源逐渐变得拥塞。而高速通信的需求必然导致在一定程度占用更多的频谱资源。如何更合理的利用频谱资源，提高频谱利用率成为当今无线通信领域的一个研究热点。携带有轨道角动量(Orbital angularmomentum,OAM)的涡旋电磁波，理论上OAM模式数不限，任意不同模态的OAM的波束独立正交，可以作为频率、幅度、极化等属性之外的全新自由度，可有效利用频谱资源并提升波束抗干扰能力，在通信领域可提升频谱利用率与通信容量，在雷达成像领域可提升分辨率，体现出很好的应用前景。因此涡旋电磁波的多模态的生成备受关注。另外，OAM波束的横截面会随着模态和传输距离的增加而增大，这对信号的接收增加了复杂度。如何设计具有相等发散角的多模的涡旋电磁波天线成为一个重要的课题。

另外，反射阵天线凭借其平面结构、低损耗、低成本等其他口径面天线与阵列天线无法比拟的优势，使得其自提出以来就备受研究人员的关注。然而目前大多数反射阵只能生成一个OAM模态，更很少关注不同OAM模态具有不同发散角的问题，这严重限制了涡旋电磁波的实际应用。

发明内容

有鉴于此，本公开的一个或多个实施例在于提出双极化双模涡旋反射阵天线。

本公开的一个或多个实施例提供了双极化双模涡旋反射阵天线，包括：

线极化馈源和反射阵面；

所述反射阵面朝向所述线极化馈源的一面，设置有第一区域和同心围绕所述第一区域的第二区域；

所述第一区域内设置有多个用于相位补偿的第一反射阵列单元，所述第一反射阵列单元在朝向所述线极化馈源的方向上设有第一介质基板，所述第一介质基板的用于反射相位的表面设置有第一贴片，所述第一贴片具有对所述线极化馈源发出的入射电磁波的相位补偿的作用；

所述第二区域内设置有多个用于相位补偿、极化旋转的第二反射阵列单元，所述第二反射阵列单元在朝向所述线极化馈源的方向上设置有第二介质基板，所述第二介质基板的用于反射相位的表面设置有第二贴片，所述第二贴片具有对所述线极化馈源发出的入射电磁波的相位补偿以及极化旋转的作用；

调节所述第一反射阵列单元和/或所述第二反射阵列单元的幅度以及相位，以使不同区域的涡旋电磁波模态不同；调节第一区域和第二区域的半径，以使不同的所述涡旋电磁波模态的波束发散角相等。

本发明的双极化双模涡旋反射阵天线，具有以下有益效果：

双极化双模涡旋反射阵天线提供了一种加工简单、双线极化、双模的涡旋反射阵天线结构；所述的双极化双模涡旋反射阵天线馈源采用一个线极化馈源，对反射阵天线进行空间馈电，第一反射阵列单元可以实现与线极化馈源相同的极化特性，通过第二反射阵列单元的极性旋转作用，可以实现与线极化馈源相反的极化特性，因此可以实现双极化特性。

附图说明

为了更清楚地说明本公开的一个或多个实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一个或多个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本公开的一个或多个实施例中双极化双模涡旋反射阵天线的三维整体示意图；

图2为本公开的一个或多个实施例中双极化双模涡旋第一反射阵列单元的三维示意图；

图3为本公开的一个或多个实施例中双极化双模涡旋第二反射阵列单元的三维示意图；

图4为本公开的一个或多个实施例中第一反射阵列单元的第一贴片的俯视结构示意图；

图5为本公开的一个或多个实施例中第二反射阵列单元的第二贴片的俯视结构示意图；

图6为本公开的一个或多个实施例中双极化双模涡旋第一反射阵列单元的反射相位与方形金属环的长度L₁的关系；

图7为本公开的一个或多个实施例中双极化双模涡旋第一反射阵天线单元的反射幅度与方形金属环的长度L₁的关系；

图8为本公开的一个或多个实施例中双极化双模涡旋第二反射阵列单元的归一化反射相位与频率的关系；

图9为本公开的一个或多个实施例中双极化双模涡旋第二反射阵列单元的极化转换率与频率的关系。

附图标号：

1-线极化馈源；2-反射阵面；3-第一贴片；4-第二贴片；

A-第一反射阵列单元；5A-第一介质基板；6A-第一空气层；7A-第一金属反射地板；

B-第二反射阵列单元；5B-第二介质基板；6B-第二空气层；7B-第二金属反射地板。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开的进一步详细说明。

需要说明的是，除非另外定义，本公开的一个或多个实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开的所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开的一个或多个实施例中使用的“单元一”、“单元二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

为解决背景技术中提及的技术问题，参考图1，本公开的一个或多个实施例的双极化双模涡旋反射阵天线，包括：线极化馈源1和反射阵面2；具体的，所述反射阵面2朝向所述线极化馈源1的一面，设置有第一区域和同心围绕所述第一区域的第二区域，所述第一区域内设置有多个用于相位补偿的第一反射阵列单元A；所述第二区域内设置有多个用于相位补偿、极化旋转的第二反射阵列单元B。进一步，所述第一反射阵列单元A设置有多个周期排列的反射阵列单元，所述第二反射阵列单元B设置有多个周期排列的反射阵列单元。

进一步，需要指出的是，本公开的双极化双模涡旋反射阵天线，该多个第一反射阵列单元A所在的第一区域可以为圆形或方形，该多个第二反射阵列单元B所在的第二区域可以为环形或回字形或回形环，该第二区域的最内边可以与第一区域的最外边重合，或者，该第二区域的最内边与第一区域的最外边之间形成间隙，该间隙的距离在此不做限定，可以根据实际需要进行设定。

采用本公开的双极化双模涡旋反射阵天线，采用一个线极化馈源，对反射阵天线进行空间馈电，其中，采用具有相位补偿功能的第一反射阵列单元A，以及，采用具有相位补偿和极化旋转功能的第二反射阵列单元B，可以实现双极化特性。

作为一可选实施例，参考图2，可知，所述第一反射阵列单元A，在朝向所述线极化馈源1的方向上，依次层叠设置有第一金属反射地板7A、第一空气层6A和第一介质基板5A；所述第一介质基板5A的用于反射相位的表面设置有第一贴片3，所述第一贴片3具有对所述线极化馈源1发出的入射电磁波相位补偿的作用。

作为一可选实施例，参考图4，所述第一贴片3为用于反射相位的金属图形的结构，所述金属图形包括：一个方形金属环以及内嵌在所述方形金属环内的一个八边形金属片；所述第一反射阵列单元A通过第一贴片3上的图形的尺寸变换对反射电磁波的相位进行调制，以使天线对入射的线极化电磁波具有涡旋和汇聚能力。

作为一可选实施例，所述第一贴片3的所述方形金属环的长度从0.05λ到1λ之间变化，其中λ为真空中入射波的波长，所述方形金属环的宽度取0.005λ到0.1λ之间变化，所以八边形金属片的中心到各顶点的距离满足l₂＝(l₁-w₁)*k/2,其中l₁是方形金属环的长度，w₁是方形金属环的宽度，k取0.5～1；通过调整方形金属环的长度，实现对第一反射阵列单元A的反射相位的调节。

作为一可选实施例，所述第二反射阵列单元，在朝向所述线极化馈源的方向上，依次层叠设置有第二金属反射地板7B、第二空气层6B和第二介质基板5B；所述第二介质基板5B的用于参考图3反射相位的表面设置有第二贴片4，所述第二贴片4具有对所述线极化馈源1发出的入射电磁波相位补偿以及极化旋转的作用。

作为一可选实施例，参考图5，所述第二贴片4为用于反射相位的金属图形的结构，所述金属图形包括一个线性金属条和分别位于所述线性金属条两端点处的W型金属条，所述线性金属条位于金属图形所在面的对角线；所述第二反射阵列单元B通过第二贴片4的图形的尺寸变换以及旋转，从而对反射电磁波的相位进行调制，以使天线对入射的线极化电磁波具有涡旋和汇聚能力。

作为一可选实施例，所述第二贴片4上的线性金属条，旋转角度为45°或者135°，所述线性金属条的长度取0.05λ～0.4λ其中，本公开的其中一个实施例的金属条长度取2.5mm(即0.24λ)，但是可以适当随单元的间距L改变，各反射阵列单元之间的间距L取0.2λ～1λ之间，本次实施例取4mm(即0.387λ)；所述第二贴片4上的图形中，l_x为W型金属条靠近对角线金属条的金属条长度，l_y为W型金属条远离对角线金属条的金属条长度，w₂为金属条宽度，α为线性金属条的旋转角度，α取45°或者135°，调整l_x、l_y、w₂、α中的任意一项或两项或多项的值，实现对所述的第二反射阵列单元B的反射相位的调节和极化的旋转。

具体的，每个所述贴片的图形的反射相位由以下公式计算得到：

其中，k₀是传播常数，F是喇叭天线的相位中心到反射阵面中心的距离，

第(m，n)个反射单元对应的方位角，r_mn是从第(m，n)个反射单元到反射阵面中心的距离，θ₀是贝塞尔波束的顶角的一半。

进一步，调节所述第一反射阵列单元A和/或所述第二反射阵列单元B的幅度以及相位，以使不同区域的涡旋电磁波模态不同；调节不同同心圆区域的半径，以使不同的所述涡旋电磁波模态的波束发散角一致。

作为一可选实施例，通过如下公式确定反射阵面不同区域的同心圆半径：

其中，其中

是第一区域圆形反射阵口径的方向图，

是第二区域环形反射阵口径的方向图，R₁是第一区域圆形反射阵的半径和第二区域环形反射阵的内半径，R₂是第二区域环形反射阵的外半径，

是超几何函数,θ和

分别表示俯仰角和方位角，l是OAM模态阶数。

作为一可选地实施例，所述线极化馈源1能够辐射出线极化电磁波的喇叭馈源；所述第一反射阵列单元A能够获取与喇叭馈源相同的极化特性，所述第二反射阵列单元B能够获取与喇叭馈源相反的极化特性，以获取双极化特性的电磁波；需要指出的是，本公开的一个或者多个实施例的第一反射阵列单元A与第二反射阵列单元B的贴片覆有的图形形状不同，从而实现不同的功能特性；具体的，参考图2，为第一反射阵列单元A的结构示意图，进一步，参考图2，为第一反射阵列单元A上的第一贴片3的立体结构示意图，具体的，参考图4，能够看到第一反射阵列单元A的上表面的第一贴片3的图形包括：一个正方形金属环以及内嵌在所述正方形金属环内的一个六边形金属环；参考图3，为第二反射阵列单元B的立体结构示意图，进一步，参考图5，为第二反射阵列单元B上的第二贴片4的结构示意图，该图中，虚线是为了标注长度所显示，虚线并不是第二贴片4本身的结构；具体的，所述的第二反射阵列单元B上的第二贴片4的图形包括：线性金属条和位于所述线性金属条两端点处的W型金属条，所述线性金属条位于图形所在面的对角线；进一步需要指出的是，所述第一反射阵列单元A通过其上的第一贴片3的图形的尺寸变换对反射电磁波的相位进行调制，以使天线对入射的线极化电磁波具有涡旋和汇聚能力；所述第二反射阵列单元B通过其上的第二贴片4的图形的尺寸变换以及旋转对反射电磁波的相位进行调制，以使天线对入射的线极化电磁波具有涡旋和汇聚能力。

另外，本公开的一个或者多个实施例中，在各介质基板上进行不同半径的同心圆区域的划分；所述第一反射阵列单元A与所述第二反射阵列单元B位于不同半径的同心圆区域，两者相应以周期性规律排列；调节所述第一反射阵列单元A和/或所述第二反射阵列单元B的幅度以及相位，不同区域的涡旋电磁波模态不同，以使不同的所述涡旋电磁波模态的波束发散角一致。

作为一可选实施例，参考图1可以看到，反射阵面上设置有两个区域，分别为中心圆形区域和外部环形区域，结合公式(2)，确定中心圆形区域的半径R₁为65mm,外部环形区域的外部半径R₂为100mm,第一反射阵列单元A位于中心圆形区域，第二反射阵列单元B位于外部环形区域。

具体的，参考图6示出了第一反射阵列单元A在不同频率下反射系数的相位与方形金属环的长度的关系，结构的相移范围可达443°；其中，横坐标L1代表方形金属环的长度，纵坐标Phase代表反射系数的相位；参考图7示出了第一反射阵列单元A在不同频率下反射系数的幅度与方形金属环的长度的关系，几乎全反射，其中，横坐标L1代表方形金属环的长度，纵坐标Amplitude代表反射系数的幅度；参考图8示出了第二反射阵列单元B的归一化反射系数相位与频率的关系，表明第二反射阵列单元B可以实现3bit的相位差，其中，横坐标Frequency代表频率，纵坐标Phase代表反射系数的相位；参考图9示出了双极化双模涡旋第二反射阵列单元B的极化转换率与频率的关系，表明第二反射阵列单元B可以实现大于96％的90°的极化旋转率，其中，横坐标Frequency代表频率，纵坐标PRE代表极化转换率。

本公开的实施例中提出了双极化双模涡旋反射阵天线，对入射电磁波进行相位的调制及旋转，过程如下：线极化馈源发出角锥喇叭辐射，角锥喇叭辐射的x线极化电磁波照射到反射阵面2上，位于中心圆形区域的第一反射阵列单元A通过第一贴片3的图形的尺寸变换对反射电磁波的相位进行调制，可以获得+1模态的x极化涡旋电磁波；位于外部环形区域第二反射阵列单元B具有90°极化旋转作用，通过第二贴片4的图形的尺寸变换对反射电磁波的相位进行调制，可以获得+2模态的y极化涡旋电磁波；并且+1和+2模态的波束发散角相等。

具体的，不同半径的同心圆划分介质基板5的区域，调节两种反射阵列单元的幅度和相位，实现不同区域的涡旋电磁波模态不同的同时保证不同模态的波束发散角相等；通过两种单元结构的尺寸变换，对反射电磁波的相位进行调制，使得天线对入射的线极化电磁波具有涡旋和汇聚能力，以使多极化多模工作的同时，不同模态的波束发散角一致，以拓展反射阵天线的应用范围。

综上，本公开的实施例提供了一种加工简单、双极化、双模的涡旋反射阵天线结构，通过不同半径的同心圆划分介质基板的区域，调节两种反射阵单元的幅度和相位，实现不同区域的涡旋电磁波模态不同的同时保证不同模态的波束发散角一致；通过两种单元结构的尺寸变换，对反射电磁波的相位进行调制，使得天线对入射的线极化电磁波具有涡旋和汇聚能力。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、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

1.一种双极化双模涡旋反射阵天线，其特征在于，包括：线极化馈源和反射阵面；

所述第一区域内设置有多个用于相位补偿的第一反射阵列单元，所述第一反射阵列单元，在朝向所述线极化馈源的方向上，依次层叠设置有第一金属反射地板和第一介质基板，所述第一介质基板的用于反射相位的表面设置有第一贴片，所述第一贴片具有对所述线极化馈源发出的入射电磁波的相位补偿的作用；

所述第二区域内设置有多个用于相位补偿、极化旋转的第二反射阵列单元，所述第二反射阵列单元，在朝向所述线极化馈源的方向上，依次层叠设置有第二金属反射地板和第二介质基板，所述第二介质基板的用于反射相位的表面设置有第二贴片，所述第二贴片具有对所述线极化馈源发出的入射电磁波的相位补偿以及极化旋转的作用；

2.根据权利要求1所述的双极化双模涡旋反射阵天线，其特征在于，所述第一反射阵列单元，在朝向所述线极化馈源的方向上，依次层叠设置有所述第一金属反射地板、第一空气层和所述第一介质基板。

3.根据权利要求1所述的双极化双模涡旋反射阵天线，其特征在于，所述第一贴片为用于反射相位的金属图形的结构，所述金属图形包括：一个方形金属环以及内嵌在所述方形金属环内的一个八边形金属片；

所述第一反射阵列单元通过第一贴片上的图形的尺寸变换对反射电磁波的相位进行调制，以使天线对入射的线极化电磁波具有涡旋和汇聚能力。

4.根据权利要求3所述的双极化双模涡旋反射阵天线，其特征在于，所述第一贴片的所述方形金属环的长度从0.05λ到1λ变化，其中λ为真空中入射波的波长，所述方形金属环的宽度取0.005～0.1λ，所述八边形金属片片的中心到各顶点的距离满足l₂＝(l₁-w₁)*k/2,其中l₁是方形金属环的长度，w₁是方形金属环的宽度，k取0.5～1；通过调整方形金属环的长度，实现对第一反射阵列单元的反射相位的调节。

5.根据权利要求1所述的双极化双模涡旋反射阵天线，其特征在于，所述第二反射阵列单元，在朝向所述线极化馈源的方向上，依次层叠设置有所述第二金属反射地板、第二空气层和所述第二介质基板。

6.根据权利要求1所述的双极化双模涡旋反射阵天线，其特征在于，所述第二贴片为用于反射相位的金属图形的结构，所述金属图形包括一个线性金属条和分别位于所述线性金属条两端点处的W型金属条，所述线性金属条位于金属图形所在面的对角线；

所述第二反射阵列单元通过第二贴片的图形的尺寸变换以及旋转，从而对反射电磁波的相位进行调制，以使天线对入射的线极化电磁波具有涡旋和汇聚能力。

7.根据权利要求6所述的双极化双模涡旋反射阵天线，其特征在于，所述第二贴片上的线性金属条，旋转角度为45°或者135°，所述线性金属条的长度取0.05λ～0.4λ；

所述第二贴片上的图形中，l_x为W型金属条靠近对角线金属条的金属条长度，l_y为W型金属条远离对角线金属条的金属条长度，w₂为金属条宽度，α为线性金属条的旋转角度，α取45°或者135°，调整l_x、l_y、w₂、α中的任意一项或两项或多项的值，实现对所述的第二反射阵列单元的反射相位的调节和极化的旋转。

8.根据权利要求7所述的双极化双模涡旋反射阵天线，其特征在于，每个所述第二贴片的图形的反射相位由以下公式计算得到：

是第(m，n)个反射单元对应的方位角，r_mn是从第(m，n)个反射单元到反射阵面中心的距离，θ₀是贝塞尔波束的顶角的一半，l是OAM模态阶数。

9.根据权利要求1所述的双极化双模涡旋反射阵天线，其特征在于，通过如下公式确定反射阵面不同区域的区域半径：

其中，其中

是圆形反射阵口径的方向图，

是环形反射阵口径的方向图，R₁是第一区域圆形反射阵的半径和环形反射阵的内半径，R₂是第二区域环形反射阵的外半径，

是超几何函数，θ和

分别表示俯仰角和方位角，l是OAM模态阶数。