CN113113780A - 一种oam发生器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种OAM发生器，OAM发生器包括阵列基板、极化栅和激励源，极化栅间隔地设置于阵列基板的一侧，激励源设置于阵列基板，激励源用于向极化栅发出馈入波，馈入波经过极化栅反射后由阵列基板反射并穿过极化栅；阵列基板包括控制器和多个间隔设置的反射阵元，反射阵元包括包括依次叠置的反射层、接地层和偏压层，反射层靠近极化栅，反射层电连接于接地层和偏压层，偏压层电连接于控制器，控制器用于控制偏压层的电压，以使反射层处于不同的极化状态。本方案的OAM发生器具有低剖面、高增益、宽带宽的多种特点，适用于无线通信中的宽带OAM复用。

Description

一种OAM发生器

技术领域

本发明属于信号传输技术领域，尤其涉及一种OAM发生器。

背景技术

电磁波的角动量(AM)可以分解为自旋角动量(SAM)和轨道角动量(OAM)。 涡旋波的一个特性是可以通过一个单一的光阑对多个不同模式的波束进行多路 复用来增加信道容量，这样每个涡旋波束都有一个独特的旋转相位阵面。OAM 复用技术使得不同的数据流能够在同一信道上传输。涡旋波具有exp(i lθ)的旋转相位剖面，其中θ是方位角，l是整数的无界OAM模式。具有不同OAM 模式的涡旋波束相互正交，不同的数据流可以在同一波束轴上多路传输。在OAM 接收端，传输的波束以低串扰进行解复用，从而显著提高了信道容量和频谱效 率。

反射阵列可以以规定的方式与入射波相互作用，通过合理设计反射阵列， 可以实现聚焦光束、全息图和OAM发生器等多种功能。然而，在相关技术中采 用的反射阵列的OAM发生器具有剖面大、阻塞效应大、带宽窄的缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种OAM发生器，具有高增益、低剖 面和带宽更宽的特点。

为解决上述技术问题，本发明是这样实现的，一种OAM发生器，包括阵列 基板、极化栅和激励源，所述极化栅间隔地设置于所述阵列基板的一侧，所述 激励源设置于所述阵列基板，所述激励源用于向所述极化栅发出馈入波，所述 馈入波经过所述极化栅反射后由所述阵列基板反射并穿过所述极化栅；

所述阵列基板包括控制器和多个间隔设置的反射阵元，所述反射阵元包括 包括依次叠置的反射层、接地层和偏压层，所述反射层靠近所述极化栅，所述 反射层电连接于所述接地层和所述偏压层，所述偏压层电连接于所述控制器， 所述控制器用于控制所述偏压层的电压，以使所述反射层处于不同的极化状态。

进一步地，所述反射层的靠近所述极化栅的一侧贴设反射贴片，所述反射 贴片包括位于中部的主体部及自所述主体部朝外延伸的两极化端子，所述主体 部电连接于所述接地层，所述极化端子电连接于所述偏压层。

进一步地，两所述极化端子分别包括一pin二极管，两所述pin二极管与 所述主体部相连端的方向相反；

所述偏压层包括两径向截片、连接线和偏压线，两所述径向截片分别和两 所述pin二极管相连，所述连接线连接于两所述径向截片，所述偏压线连接所 述连接线和所述控制器。

进一步地，所述主体部为圆形，两所述极化端子的延伸方向之间的夹角为 90°，所述主体部的半径和所述极化端子的长度的比值范围在1.3-3之间。

进一步地，两所述径向截片为扇形且对称设置，所述偏压线电连接于所述 连接线的中部，所述径向截片的半径和所述主体部的半径的比值范围在0.5-1 之间。

进一步地，所述反射阵元还包括设置于所述接地层和所述偏压层之间的中 间基层，所述中间基层和所述反射层的比值范围在0.05-0.1之间，所述偏压层 的厚度和所述反射层的比值范围在0.2-0.8之间。

进一步地，各所述反射阵元环绕设置于所述激励源外。

进一步地，所述激励源包括位于中心的馈电贴片和对称地设置于所述馈电 贴片的两侧的辐射贴片，所述馈电贴片的角部位置具有缺口。

进一步地，所述激励源的相位中心位于所述阵列基板的焦距处。

进一步地，各所述反射阵元沿第一方向间隔排列，各所述反射阵元沿垂直 于所述第一方向的第二方向间隔排列，并且，各所述反射阵元以所述激励源为 中心呈中心对称排布。

本发明中OAM发生器与现有技术相比，有益效果在于：

信号可以通过激励源形成朝向极化栅的馈入波，馈入波为X极化方向的波， 极化栅可以将馈入波反射向阵列基板，然后经过反射阵元的反射形成Y极化方 向的波穿过极化栅，并且，通过控制器控制偏压层的电压，使得偏压层和接地 层的相对电压状态不同，可以使得反射层处于不同的极化状态，从而实现 9.5-10.5GHz频率范围内的不同模式的OAM模式可重构波束。本方案的OAM发 生器具有低剖面、高增益、宽带宽的多种特点，适用于无线通信中的宽带OAM 复用。

附图说明

图1是本发明实施例中OAM发生器的概念结构示意图；

图2是本发明实施例中OAM发生器的反射阵元的结构示意图：a、剖视图； b、反射层的俯视图；c、接地层的俯视图；d、偏压层的俯视图；e、反射阵元 的爆炸图；

图3模拟了反射阵元不同情况下0态和180态反射系数的大小和相位：(a)和(c)分别为正常入射角度下的反射系数关系和相位关系；(b)和(d)分别 30°斜入射角度下的反射系数关系和相位关系；

图4：a、激励源的俯视图；b、激励源的立体结构示意图；c、激励源的S 参数；d、激励源的增益关系；

图5是阵列基板的反射阵元布局和偏置网络布局:a、顶层布局；b、底层和 偏压网络；c、样机的阵列基板顶视图；d、样机的阵列基板底视图；

图6、分别为(a)l＝0，(b)l＝+1和(c)l＝+2的偏压模式；

图7、(a)实验中使用的转向逻辑板；(b)高增益低剖面宽带可编程OAM 发生器样机的近场测试；(c)测量了OAM发生器样机不同OAM状态下的S参数； (d)模拟和测量了OAM发生器不同OAM状态下的增益；

图8(1)、对l＝0、l＝+1时在9.5GHz、10GHz和10.5GHz的归一化辐射方 向图、近场振幅、近场相位和OAM模式纯度进行了模拟和测量；

图8(2)、对l＝+2时在9.5GHz、10GHz和10.5GHz的归一化辐射方向图、 近场振幅、近场相位和OAM模式纯度进行了模拟和测量。

在附图中，各附图标记表示：1、阵列基板；2、极化栅；3、激励源；11、 控制器；12、反射阵元；121、反射层；122、接地层；123、偏压层；124、中 间基层；1211、反射贴片；1231、径向截片；1232、连接线；1233、偏压线； 31、馈电贴片；32、辐射贴片。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实 施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅 仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例：

在本实施例中，结合图1、图2和图4，OAM发生器包括阵列基板1、极化 栅2和激励源3，极化栅2间隔地设置于阵列基板1的一侧，激励源3设置于 阵列基板1，激励源3用于向极化栅2发出馈入波，馈入波经过极化栅2反射 后由阵列基板1反射并穿过极化栅2；阵列基板1包括控制器11和多个间隔设 置的反射阵元12，反射阵元12包括包括依次叠置的反射层121、接地层122 和偏压层123，反射层121靠近极化栅2，反射层121电连接于接地层122和偏压层123，偏压层123电连接于控制器11，控制器11用于控制偏压层123的电 压，以使反射层121处于不同的极化状态。

信号可以通过激励源3形成朝向极化栅2的馈入波，馈入波为X极化方向 的波，极化栅2可以将馈入波反射向阵列基板1，然后经过反射阵元12的反射 形成Y极化方向的波穿过极化栅2，并且，通过控制器11控制偏压层123的电 压，使得偏压层123和接地层122的相对电压状态不同，可以使得反射层121 处于不同的极化状态，从而实现9.5-10.5GHz频率范围内的不同模式的OAM模 式可重构波束。本方案的OAM发生器具有低剖面、高增益、宽带宽的多种特点， 适用于无线通信中的宽带OAM复用。

反射层121的靠近极化栅2的一侧贴设反射贴片1211，反射贴片1211包 括位于中部的主体部及自主体部朝外延伸的两极化端子，主体部电连接于接地 层122，极化端子电连接于偏压层123。在本实施例中，主体部为圆形，接地层 122为金属层，两极化端子的延伸方向之间的夹角为90°，两极化端子的位置 对称，且两极化端子的外形尺寸相同，主体部的半径和极化端子的长度的比值 范围在1.3-3之间，例如1.5、1.7、1.9、2.1、2.3、2.5、2.7、2.9等等。在 一些实施例中，主体部也可以是正方形、正五边形、正六边形等等，只要两极化端子和主体部的中心的连线的夹角为90°即可。

两极化端子分别包括一pin二极管，两pin二极管与主体部相连端的方向 相反；偏压层123包括两径向截片1231、连接线1232和偏压线1233，两径向 截片1231分别和两pin二极管相连，连接线1232连接于两径向截片1231，偏 压线1233连接连接线1232和控制器11；两径向截片1231为扇形且对称设置， 偏压线1233电连接于连接线1232的中部，径向截片1231的半径和主体部的半 径的比值范围在0.5-1之间，例如0.6、0.7、0.8、0.9等等。在一些实施例中， 径向截片1231也可以为三角形、正方形、圆形等等。

反射阵元12还包括设置于接地层122和偏压层123之间的中间基层124， 中间基层124和反射层121的比值范围在0.05-0.1之间，偏压层123的厚度和 反射层121的比值范围在0.2-0.8之间。

具体的，在本实施例中，极化端子的宽度w＝1.5mm，pin二极管连接的间隙 g＝0.5mm，极化端子的长度l＝2.57mm，主体部的半径r1＝4.15mm，径向截片1231 的半径r2＝3.5mm，反射层121的厚度h1＝1.52mm，中间基层124的厚度h2＝0.1mm， 偏压层123的厚度h3＝0.51mm。应当理解，上述各参数可以根据需要进行适应 性调整：例如，主体部的半径r1可以在1mm-30mm之间选取，如1mm、2mm、3mm、 4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm、11mm、12mm、13mm、14mm、15mm、16mm、17mm、18mm、19mm、20mm、21mm、22mm、23mm、24mm、25mm、26mm、27mm、28mm、 29mm等等，并且，以前述列举方案为参照，其余各参数的尺寸和主体部的半径 r1的比值可以上下浮动，且上下浮动的比例可以在0-50％之间，例如5％、10％、 15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％等，以主体部的半径r1选取为10mm，pin 二极管连接的间隙g和主体部的半径r1的比值上浮10％为例，r1可以设置为 10*(0.5/4.15)*(1+10％)＝1.325mm，其他的参数可以参照该方式进行适应性 设置，在此不再赘述。

各反射阵元12环绕设置于激励源3外，激励源3包括位于中心的馈电贴片 31和对称地设置于馈电贴片31的两侧的辐射贴片32，馈电贴片31的角部位置 具有缺口，激励源3的相位中心位于阵列基板1的焦距处，各反射阵元12沿第 一方向间隔排列，各反射阵元12沿垂直于第一方向的第二方向间隔排列，并且， 各反射阵元12以激励源3为中心呈中心对称排布。具体的，在本实施例中，各 反射阵元12整体呈方形阵列排布，且为20行和20列的排布，行间距和列间距 相同，均为14mm，反射阵元12的中心频率为10GHz，反射阵元12的中心位置 空缺六个反射阵元12，空缺的部位用于设置激励源3，激励源3包括一位于中 部的馈电贴片31和分设于馈电贴片31的两侧的六辐射贴片32，即相当于每一 侧均有三辐射贴片32，馈电贴片31为对称图形，相当于矩形除去四个角，激 励源3的整体宽度w1＝28mm，激励源3的整体长度l1＝42mm，辐射贴片32为正 方形，辐射贴片32的边长w2＝6.2mm，馈电贴片31缺口的宽度w3＝0.5mm，馈电 贴片31缺口的长度l3＝1.65mm，以附图视角为参照，在竖向方向上，馈电贴片 31的两缺口之间的距离l2＝5mm，采用这样的贴片天线作为主要激励源3具有平 面高增益的优点。应当理解，在一些实施例中，激励源3的各参数可以适应性 调整，具体调整方式可以参照反射阵元12的参数设置调整方式，在此不再赘述。 此外，激励源3的结构也可以根据实际情况进行适应性调整，例如，馈电贴片 31的形状可以设置为圆形、五边形、六边形等，辐射贴片32可以设置为两个、 四个、八个、十个等等，并且，辐射贴片32的形状也可以设置为圆形、五边形、 六边形等等。在一些实施例中，反射阵元12的排布方式也可以是以激励源3 为中心的圆形阵列排布。

下面对本方案的OAM发生器进行设计分析：

理论设计：

所提出的OAM发生器的概念如图1所示，高增益平面天线(即激励源3)发射一个由极化栅2反射的x极化波，然后宽带可编程反射阵列在携带模式可 重构OAM的同时将反射波转化成y极化波，y极化OAM携带波束可以穿过极化 栅2，因此被辐射。像源位于距离反射阵列(即阵列基板1)5λ处，λ为工作 波长，当F/D(焦距直径比)＝0.5时，所提出的多功能OAM发生器的总体尺寸 为10λ×10λ×2.5λ，与常规的OAM发生器相比，其外形减小了一半。

组件设计:

在宽带可编程反射阵列上实现的反射阵元12是宽带1位相移和极性转化元 件，如图2所示。它由一个反射贴片1211和两个相位延迟线组成，反射贴片 1211接通接地层122，相位延迟线接通具有径向截片1231的偏压层123。通过 调整相位延迟线的长度，可以将入射波的x偏振态扭转为y偏振态，反之亦然。 两个方向相反的PIN二极管转化方向时，两个偏振的反射相位差为180°。因 此，该反射阵元12可以实现1位移相和偏振扭转。PIN1“ON”PIN2“OFF”和 PIN1“OFF”PIN2“ON”的两种不同状态分别代表0状态和180状态。在我们的 设计中，选择macommadp-000907-14020作为PIN二极管。在CST Microwave Studio 2020(三维电磁场仿真软件)上，利用反射阵元12边界条件和Floquet 端口激励对反射阵元12进行了模拟。PIN二极管建模为等效串联电路，开启时 电阻RON＝5.2Ω，电感LON＝30pH，关闭时电容COF＝40fF，电感LOF＝30pH。图2示出了所提的有源反射阵元12的剖视图、反射阵元12各层的俯视图和反射阵 元12爆炸图。接地层122连接到1.65v的参考电压，偏压层123连接到0v的 低电压或3.3v的高电压，产生两种不同的相移状态。该反射阵元12在9.5～ 10.5ghz的X波段工作。图3显示了不同状态和不同入射角下的模拟反射幅度 和相位，显示了所提出的反射阵元12在正入射和斜入射下的有效性。在这两种 情况下，在9.5～10.5ghz范围内，最大插入损耗为1.3db，相位变化小于3°。

为了激励折叠反射阵列，提出了一种平面高增益贴片天线作为主要激励源 3。所提出的馈电天线的晶格尺寸为28毫米*42毫米。由于一次源的尺寸较小， 在馈电天线位置移除6个反射阵元12可以忽略不计。图4显示了所提出的高增 益贴片天线的设计细节和模拟性能。利用CST-Microwave studio2020对一次源 进行了模拟。

多功能OAM发生器：

利用上述器件，研制了一种394反射阵元12的高增益低剖面宽带可编程 OAM折叠反射阵列。图5(a)和(b)分别示出了宽带可编程OAM反射阵列的顶 视图和底视图。所有394条偏压线1233都通过柔性扁平电缆连接到转向逻辑板 (即控制器11)，从而控制辐射OAM模式。图5(c)和(d)分别显示了制造 的原型OAM发生器的俯视图和仰视图。每个反射阵元12产生聚合OAM波束的相 位补偿φ应满足以下条件：

式中，l为OAM模式，x和y为笛卡尔坐标系下的反射阵元位置，λ为中心 频率10GHz处的工作波长，F＝5λ为反射阵列的焦距，高增益贴片天线像源的相 位中心位于反射阵列的焦距。此外，连续相位由1位相位

量化：

根据由等式(1)和(2)计算的量化相位分布，图6分别示出了l＝0、l ＝1和l＝2的偏置模式。0态由3.3v高压驱动，180态由0v低压驱动，接地 层连接到1.65v中压。

制作的样机在图7(a)和(b)所示的消声室中进行了实验测试。在不同 OAM状态下测得的S参数和实现的峰值增益如图7(c)和(d)所示。在工作频 率范围内实现了合理的阻抗匹配，说明所设计的平面激励源工作正常，而模拟 和测量之间的微小增益差异主要是由于制造和焊接不完善、装配误差和测量精 度造成的。为了评估所提出的多功能OAM发生器辐射出的OAM波束，辐射方向 图、近场振幅、近场相位和OAM模式纯度是重要的特性。OAM模式纯度通过以 下公式计算：

其中A_l是OAM状态的振幅，可以描述为：

394反射阵元12多功能OAM发生器的模拟频率分别为9.5ghz、10.0ghz和 10.5ghz。l＝0、l＝+1和l＝+2的模拟归一化辐射模式、近场振幅、近场相位和 OAM模式纯度如图8(a)所示。在这里，我们选择距离OAM发生器5λ的近场 模拟平面。从模拟结果可以看出，提出的OAM发生器可以产生9.5～10.5GHz 的宽带OAM模式可重构波束，最小模式纯度为0.90。此外，验证了所提出的多 功能OAM发生器的有效性。带开口波导探头的平面近场扫描仪距离折叠反射阵 列5λ，总扫描范围为40cm×40cm。本文提出的OAM发生器是由一个3D打印聚 乙烯支架固定，一次电源和探头的介电常数都连接到网络分析仪上进行近场数 据测量，测量结果如图8(b)所示。每个测量的近场图形由80*80＝6400个电 场数据组成，x和y方向的扫描分辨率均为0.5cm，每个OAM模式的扫描时间约 为80分钟。图8(b)也给出了测量的归一化辐射模式。在工作频率上测量的 最小模式纯度为0.80，模拟结果与测量结果之间的微小差异是由于制造公差和 环境噪声造成的。最后，在不同的情况下，所提出的OAM产生器的模拟和测量 实现增益如图8所示。模拟结果与实测结果吻合良好，证明了该OAM发生器具 有高增益、低剖面、宽带、可编程等特点。

结论：

首次提出了一种高增益、低剖面、宽带、可编程的折叠反射阵列OAM发生 器。本文提出的OAM产生器使用透射光或反射光阵列，只有常规OAM发生器的 一半体积。通过将PIN二极管集成到反射阵元12中，所提出的具有1位相位分 辨率的OAM发生器可以在9.5～10.5ghz范围内产生动态多模OAM波束，最小测 量OAM模纯度为0.8。综上所述，同时满足高增益、低剖面、宽带、可编程对 无线通信和雷达探测领域的OAM发生器来说是很高的要求，而本方案的多功能 OAM发生器将前述多个优点集成到一个模块中，更能满足无线通信和雷达探测 领域的需求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内所作的任何修改、21等同替换和改进等，均应包含在本发 明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种OAM发生器，其特征在于，包括阵列基板(1)、极化栅(2)和激励源(3)，所述极化栅(2)间隔地设置于所述阵列基板(1)的一侧，所述激励源(3)设置于所述阵列基板(1)，所述激励源(3)用于向所述极化栅(2)发出馈入波，所述馈入波经过所述极化栅(2)反射后由所述阵列基板(1)反射并穿过所述极化栅(2)；

所述阵列基板(1)包括控制器(11)和多个间隔设置的反射阵元(12)，所述反射阵元(12)包括包括依次叠置的反射层(121)、接地层(122)和偏压层(123)，所述反射层(121)靠近所述极化栅(2)，所述反射层(121)电连接于所述接地层(122)和所述偏压层(123)，所述偏压层(123)电连接于所述控制器(11)，所述控制器(11)用于控制所述偏压层(123)的电压，以使所述反射层(121)处于不同的极化状态。

2.根据权利要求1所述的OAM发生器，其特征在于，所述反射层(121)的靠近所述极化栅(2)的一侧贴设反射贴片(1211)，所述反射贴片(1211)包括位于中部的主体部及自所述主体部朝外延伸的两极化端子，所述主体部电连接于所述接地层(122)，所述极化端子电连接于所述偏压层(123)。

3.根据权利要求2所述的OAM发生器，其特征在于，两所述极化端子分别包括一pin二极管，两所述pin二极管与所述主体部相连端的方向相反；

所述偏压层(123)包括两径向截片(1231)、连接线(1232)和偏压线(1233)，两所述径向截片(1231)分别和两所述pin二极管相连，所述连接线(1232)连接于两所述径向截片(1231)，所述偏压线(1233)连接所述连接线(1232)和所述控制器(11)。

4.根据权利要求3所述的OAM发生器，其特征在于，所述主体部为圆形，两所述极化端子的延伸方向之间的夹角为90°，所述主体部的半径和所述极化端子的长度的比值范围在1.3-3之间。

5.根据权利要求4所述的OAM发生器，其特征在于，两所述径向截片(1231)为扇形且对称设置，所述偏压线(1233)电连接于所述连接线(1232)的中部，所述径向截片(1231)的半径和所述主体部的半径的比值范围在0.5-1之间。

6.根据权利要求1所述的OAM发生器，其特征在于，所述反射阵元(12)还包括设置于所述接地层(122)和所述偏压层(123)之间的中间基层(124)，所述中间基层(124)和所述反射层(121)的比值范围在0.05-0.1之间，所述偏压层(123)的厚度和所述反射层(121)的比值范围在0.2-0.8之间。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的OAM发生器，其特征在于，各所述反射阵元(12)环绕设置于所述激励源(3)外。

8.根据权利要求7所述的OAM发生器，其特征在于，所述激励源(3)包括位于中心的馈电贴片(31)和对称地设置于所述馈电贴片(31)的两侧的辐射贴片(32)，所述馈电贴片(31)的角部位置具有缺口。

9.根据权利要求7所述的OAM发生器，其特征在于，所述激励源(3)的相位中心位于所述阵列基板(1)的焦距处。

10.根据权利要求7所述的OAM发生器，其特征在于，各所述反射阵元(12)沿第一方向间隔排列，各所述反射阵元(12)沿垂直于所述第一方向的第二方向间隔排列，并且，各所述反射阵元(12)以所述激励源(3)为中心呈中心对称排布。

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