CN113782976A - 一种可重构透射单元及宽带可重构涡旋波透射阵列系统 - Google Patents

一种可重构透射单元及宽带可重构涡旋波透射阵列系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种的可重构透射单元和一种宽带可重构涡旋波透射阵列系统，属于信号传输技术领域。一种宽带可重构涡旋波透射阵列系统基于一种的可重构透射单元实现。将辐射贴片分为中央贴片、左贴片和右贴片，根据电流反转原理，控制射频开关通断控制中央贴片与左右贴片的连接，从而控制中央贴片的电流的流向，辐射贴片与接收贴片、金属地板、介质基板和金属馈线共同组成可重构透射单元，使所述可重构透射单元在较宽的频带范围内实行稳定的180°相位差。将可重构透射单元组成可重构涡旋波透射阵列，产生四个OAM模式的可重构波束，实现OAM模分复用，提高可重构涡旋波透射阵列增益带宽和模式纯度带宽，进而提高可重构涡旋波透射阵列抗干扰性能。

Description

一种可重构透射单元及宽带可重构涡旋波透射阵列系统
技术领域
本发明属于信号传输技术领域，涉及一种工作在Ku波段的可重构透射单元及宽带可重构涡旋波透射阵列系统。
背景技术
经典的电磁学理论表明，电磁波不仅携带线性动量，还携带角动量。而角动量又包括自旋角动量(SAM)和轨道角动量(OAM)。轨道角动量理论上具有无穷多的模态，且每个模态之间相互正交。利用模分复用技术可以将信号调制到不同的OAM模态上，以此实现互不干扰的信号传输。因此，OAM技术能够在不增加频谱带宽的条件下提升频谱效率，在无线通信领域展现潜在的价值。透射阵天线结合了透镜天线与相控阵的优点，既保留了透镜天线的高增益，又通过离散阵面降低了天线的重量和剖面大小，提升了设计自由度，还能通过控制阵面上各个透射单元的相位实现对电磁波的实时调控，在OAM模分复用的应用中有很强的优势。
发明内容
本发明目的在于提供一种的可重构透射单元和一种宽带可重构涡旋波透射阵列系统。所述一种宽带可重构涡旋波透射阵列系统基于所述一种的可重构透射单元实现。
本发明公开的一种的可重构透射单元要解决的技术问题是：将辐射贴片分为中央贴片、左贴片和右贴片，根据电流反转原理，控制射频开关的通断来控制中央贴片与左右贴片的连接，从而控制中央贴片的电流的流向，辐射贴片与接收贴片、金属地板、介质基板和金属馈线共同组成可重构透射单元，使所述可重构透射单元在较宽的频带范围内实行稳定的180°相位差。
本发明公开的一种宽带可重构涡旋波透射阵列系统要解决的技术问题是：将具有宽带稳定的180°相位差的可重构透射单元组成可重构涡旋波透射阵列，使所述可重构涡旋波透射阵列产生四个OAM模式(l＝±1,±2)的可重构波束，实现OAM模分复用，同时由于可重构透射单元的相位差稳定，提高可重构涡旋波透射阵列增益带宽和模式纯度带宽，进而提高可重构涡旋波透射阵列抗干扰性能，保证通信稳定。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的一种可重构透射单元，将辐射贴片分为中央贴片、左贴片和右贴片，根据电流反转原理，控制射频开关的通断来控制中央贴片与左贴片、右贴片的连接，从而控制中央贴片的电流的流向，辐射贴片与接收贴片、金属地板、介质基板和金属馈线共同组成可重构透射单元，使所述可重构透射单元在较宽的频带范围内实行稳定的180°相位差。根据通信频率确定所述左贴片和右贴片的数量和尺寸，以保障可重构透射单元的工作性能。所述工作性能包括透射系数、驻波比、工作带宽。
本发明公开的一种可重构透射单元，包括接收贴片、金属地板、辐射贴片、介质基板和金属馈线。所述辐射贴片主要由中央贴片、左贴片和右贴片，以及用于上述贴片之间连接的射频开关组成。所述介质基板包括上层介质和下层介质，所述上层介质叠置于所述接收贴片下侧和所述金属地板上侧，所述下层介质叠置于所述金属地板下侧和所述辐射贴片上侧，所述金属馈线穿过所述上层介质、所述金属地板和所述下层介质，所述金属馈线的两端分别连接所述接收贴片和所述辐射贴片。根据电流反转原理，控制两个射频开关的通断来控制中央贴片与左右贴片的连接，从而控制中央贴片的电流的流向，电流向左和向右流动的两种单元状态具有180°稳定的相位差，即使所述可重构透射单元在较宽的频带范围内实行稳定的180°相位差。
为了保证可重构透射单元在中心频率处有最优的透射性能，同时减少所述接收贴片上表面波的影响，保证所述接收贴片能最大程度地接收电磁波，作为优选，所述接收贴片的形状为矩形或椭圆形。所述接收贴片的宽度W与所述可重构透射单元的工作频率f、介质基板的相对介电常数εr有如下关系：
Figure BDA0003226923870000021
其中，c为真空中的光速，长度与宽度的比值在1.1-1.3之间。
为了保证可重构透射单元的辐射效率，同时减少高次模的产生，防止电磁场畸变，作为优选，所述上层介质基板和下层介质基板的宽度和长度都约为0.4λ0，λ0为中心频率处自由空间波长。
为了保证所述接收贴片和所述辐射贴片之间的隔离度，作为优选，所述金属地板的尺寸与所述上层介质基板和下层介质基板的尺寸相同。
为了满足工程需求，同时保证可重构透射单元的工作频率大于截止频率，抑制所述接收贴片的表面波，作为优选，所述上层介质基板和下层介质基板的材料参数为：相对介电常数εr在2-2.5以内，损耗角正切tanδ在0.0006-0.001以内。所述上层介质基板和下层介质基板的厚度h与相对介电常数εr、截止频率fc存在如下关系：
Figure BDA0003226923870000022
其中n为可重构透射单元场量沿厚度方向出现的半周期数目，c为真空中的光速。
为了满足工程需求，作为优选，所述接收贴片、所述金属地板和所述辐射贴片的材料都为金属，金属溅射层的厚度为0.018mm-0.03mm。
为了将所述接收贴片上的电磁场耦合到所述辐射贴片上，同时符合工程中金属线的尺寸标准，作为优选，所述金属馈线一端连接所述接收贴片，另一端连接辐射贴片，所述金属馈线的直径在0.4mm-0.6mm内，所述金属地板的中心有一个金属化过孔，供所述金属馈线穿过，为了保证所述接收贴片和所述辐射贴片的隔离度，所述金属化过孔的直径在0.6mm-0.8mm内。
为了简化所述辐射贴片的结构，保证辐射贴片结构的对称性，提高两种可重构透射单元状态下180°相位差的稳定性，作为优选，所述辐射贴片由中央贴片、左右各一块的左右贴片和两个射频开关组成。所述中央贴片左右两侧宽边的中心点分别与所述两个射频开关的正极连接，所述两个射频开关的负极分别与所述左右贴片连接。当可重构透射单元工作在Ku频段，中心频率为14.5GHz时，所述中央贴片的宽度为4mm，长度为2mm，所述左侧贴片的宽度为4.5mm，长度为2mm，所述右侧贴片的尺寸与所述左侧贴片相同。为了保证射频开关的工作性能稳定，减少电流损耗，作为优选，当可重构透射单元工作在Ku频段时，射频开关采用PIN开关二极管。
本发明公开的一种宽带可重构涡旋波透射阵列系统基于所述一种的可重构透射单元实现。所述一种宽带可重构涡旋波透射阵列系统将具有宽带稳定的180°相位差的可重构透射单元组成可重构涡旋波透射阵列，使所述可重构涡旋波透射阵列产生四个OAM模式(l＝±1,±2)的可重构波束，实现OAM模分复用，同时由于可重构透射单元的相位差稳定，提高可重构涡旋波透射阵列增益带宽和模式纯度带宽，进而提高可重构涡旋波透射阵列抗干扰性能，保证通信稳定。
本发明公开的一种宽带可重构涡旋波透射阵列系统，包括可重构涡旋波透射阵列、喇叭馈源和电压控制网络。所述的具有宽带稳定的180°相位差的可重构透射单元按照阵列排布，组成宽带可重构涡旋波透射阵列。所述喇叭馈源位于所述可重构涡旋波透射阵列的一侧，所述喇叭馈源等效相位中心到所述可重构涡旋波透射阵列中心的距离根据喇叭馈源的口径效率而定，向所述可重构涡旋波透射阵列发射E面H面对称的电磁波束，所述电压控制网络位于所述可重构涡旋波透射阵列的另一侧，所述电压控制网络与所述射频开关连接，通过在所述射频开关上正电极处施加高电压或低电压来调控所述射频开关的通断。所述可重构涡旋波透射阵列产生四个OAM模式(l＝±1,±2)的可重构波束，将信号调制到不同模式的OAM可重构波束上，实现OAM模分复用，同时由于可重构透射单元的相位差稳定，组成的可重构涡旋波透射阵列产生的透射波束在较宽的范围内不受频率影响，提高可重构涡旋波透射阵列增益带宽和模式纯度带宽，进而提高可重构涡旋波透射阵列抗干扰性能，保证通信稳定。
为了保证所述馈源喇叭辐射电磁波的旋转对称性，提高所述馈源喇叭的接收效率，作为优选，所述可重构涡旋波透射阵列发射E面H面对称的笔形电磁波束。
为了得到产生OAM波所需的旋转相位，作为优选，所述可重构涡旋波透射阵列中可重构透射单元的相位补偿Φ如下关系：
Figure BDA0003226923870000041
l表示OAM模式数，(xi,yi)表示第i个所述可重构透射单元在笛卡尔坐标系中的位置，
Figure BDA0003226923870000042
表示所述可重构涡旋波透射阵产生的携带OAM模式l的涡旋波的波束指向，
Figure BDA0003226923870000043
表示所述可重构透射单元相对所述可重构涡旋波透射阵列中心的方位角,di表示第i个所述可重构单元与馈源相位中心之间的距离,k0表示电磁波传播的波数。
有益效果：
1、本发明公开的一种的可重构透射单元，将辐射贴片分为中央贴片、左贴片和右贴片，根据电流反转原理，控制两个射频开关的通断来控制中央贴片与左右贴片的连接，从而控制中央贴片的电流的流向，辐射贴片与接收贴片和金属地板共同组成可重构透射单元，使所述可重构透射单元在较宽的频带范围内实行稳定的180°相位差。
2、本发明公开的一种宽带可重构涡旋波透射阵列系统，将具有宽带稳定的180°相位差的可重构透射单元组成可重构涡旋波透射阵列，使所述可重构涡旋波透射阵列产生四个OAM模式(l＝±1,±2)的可重构波束，实现OAM模分复用，同时由于可重构透射单元的相位差稳定，提高可重构涡旋波透射阵列增益带宽和模式纯度带宽，进而提高可重构涡旋波透射阵列抗干扰性能，保证通信稳定。
3、本发明公开的一种可重构透射单元及宽带可重构涡旋波透射阵列系统，利用外接电压控制网络来控制可重构涡旋波透射阵列中每个可重构透射单元的相位，实现对可重构透射单元相位的实时调控，提高OAM可重构波束模式转换的灵活性。
附图说明
图1是本发明实施案例中可重构透射单元的立体结构示意图：a为可重构透射单元立体结构图，b为可重构透射单元拓扑结构图；
图2是本发明实施案例中可重构透射单元的分层结构示意图：a为接收贴片结构图，b为金属地板结构图，c为辐射贴片结构图；
图3是本发明实施案例中辐射贴片上的电流分布图：a为左侧PIN开关二极管导通右侧PIN开关二极管断开的电流分布图，b为右侧PIN开关二极管导通左侧PIN开关二极管断开的电流分布图；
图4是本发明实施案例中可重构透射单元的仿真结果：a为透射相位随频率变化曲线，b为透射幅度随频率变化曲线；
图5是本发明实施案例中可重构涡旋波透射阵列的结构示意图；
图6是本发明实施案例中可重构涡旋波透射阵列在四种OAM模式下的阵列口面相位分布图：a为l＝1，b为l＝2，c为l＝-1，d为l＝-2；
图7是在可重构涡旋波透射阵列正下方800mm处的观测面上观测的，四种OAM模式电场波前相位分布图：a为l＝1，b为l＝2，c为l＝-1，d为l＝-2；
图8是在可重构涡旋波透射阵列在两种OAM模式下，最大辐射方向增益随频率变化曲线：a为l＝1，b为l＝2；
图9是在可重构涡旋波透射阵列在两种OAM模式下，模式纯度随频率变化曲线：a为l＝1，b为l＝2；
其中：1—接收贴片、2—金属地板、3—辐射贴片、4—PIN开关二极管、5—介质基板、6—金属馈线、32—中央贴片、31—左贴片、33—右贴片、51—上层介质、52—下层介质。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
如图1-2所示，本实施例公开的一种可重构透射单元，所述可重构透射单元工作在Ku波段，包括接收贴片1、金属地板2、辐射贴片3、介质基板5和金属馈线6。所述辐射贴片3主要由中央贴片32、左贴片31和右贴片33，以及用于上述贴片之间连接的PIN开关二极管4组成。所述介质基板5包括上层介质51和下层介质52，所述上层介质51叠置于所述接收贴片1下侧和所述金属地板2上侧，所述下层介质52叠置于所述金属地板2下侧和所述辐射贴片3上侧，所述金属馈线6穿过所述上层介质51、所述金属地板2和所述下层介质52，所述金属馈线6的两端分别连接所述接收贴片1和所述辐射贴片3。根据电流反转原理，控制两个PIN开关二极管4的通断来控制中央贴片32与左贴片31、有贴片33的连接，从而控制中央贴片32的电流的流向，电流向左和向右流动的两种单元状态具有180°稳定的相位差，即使所述可重构透射单元在较宽的频带范围内实行稳定的180°相位差。
所述接收贴片1的形状为矩形或椭圆形，所述接收贴片1的宽度为5mm，长度为5.5mm，长宽比为1.1，目的是保证可重构透射单元在中心频率处有最优的透射性能，同时减少所述接收贴片上表面波的影响，保证所述接收贴片能最大程度地接收电磁波。所述上层介质基板51和下层介质基板52的宽度和长度都为8mm，约为0.4λ0(λ0为中心频率处自由空间波长)，以实现可重构透射单元的较高辐射效率，同时减少高次模的产生，防止电磁场畸变。所述金属地板2的尺寸与所述上层介质基板51和下层介质基板52的尺寸相同，以提高所述接收贴片1和所述辐射贴片3之间的隔离度。所述上层介质基板51和下层介质基板52的材料参数为：相对介电常数εr为2.2以内，损耗角正切tanδ为0.0009。所述上层介质基板51和下层介质基板52的厚度h为0.787mm，目的是满足工程需求，同时保证可重构透射单元的工作频率大于截止频率，抑制所述接收贴片1的表面波。所述接收贴片1、所述金属地板2和所述辐射贴片3的材料都为金属，金属溅射层的厚度为0.018mm，以满足工程需求。所述金属馈线6一端连接所述接收贴片1，另一端连接辐射贴片2，所述金属馈线6的直径为0.4mm，所述金属地板2的中心有一个金属化过孔，供所述金属馈线6穿过，为了保证所述接收贴片1和所述辐射贴片3的隔离度，所述金属化过孔的直径为0.6mm，目的是将所述接收贴片1上的电磁场耦合到所述辐射贴片3上，同时符合工程中金属线的尺寸标准。
在本实施例中，所述辐射贴片3由中央贴片32、左右各一块的左右贴片31和33和两个射频开关4组成。所述中央贴片32左右两侧宽边的中心点分别与所述两个射频开关4的正极连接，所述两个射频开关4的负极分别与所述左右贴片31和33连接。所述中央贴片32的宽度为4mm，长度为2mm，所述左侧贴片31的宽度为4.5mm，长度为2mm，所述右侧贴片33的尺寸与所述左侧贴片31相同，目的是简化所述辐射贴片3的结构，保证辐射贴片3结构的对称性，提高两种可重构透射单元状态下180°相位差的稳定性。所述射频开关4采用PIN开关二极管，以保证射频开关4的工作性能稳定，减少电流损耗。
如图3所示，在本实施例中，根据电流反转原理，辐射贴片3左右两侧的宽边中心各与一个PIN开关二级管的正极相连，通过对左侧PIN开关二级管施加高电压，对右侧PIN开关二级管施加低电压，可以控制左侧PIN开关二极管导通且右侧PIN开关二极管断开，中央贴片上的电流流向左侧贴片，或者对右侧PIN开关二级管施加高电压，对左侧PIN开关二级管施加低电压，可以控制右侧PIN开关二极管导通且左侧PIN开关二极管断开，中央贴片上的电流流向右侧贴片。
如图4所示，在中心频率14.5GHz处左侧PIN开关二极管导通时，可重构透射单元的透射相位为-278.3°，右侧PIN开关二极管导通时，可重构透射单元的透射相位为-95.5°，在这两种单元状态下，透射相位差约为178°，且整个频带内两种单元状态的透射相位曲线几乎平行，即可重构透射单元的相位差几乎不变，这是因为可重构透射单元是基于电流反转机制形成相位差，中央贴片32的电流流向只与左右两侧的PIN开关二极管通断有关，基本不受频率的影响，所以两种单元状态的相位差能在较宽的频率范围内保持稳定。在14GHz到15GHz的频带范围内，可重构透射单元的透射损耗在3dB以内，能实现良好的透射效果。
实施例2：
如图5所示，本实施例公开的一种宽带可重构透射涡旋波透射阵系统，所述宽带可重构透射涡旋波透射阵系统工作在Ku频段，包括可重构涡旋波透射阵列、喇叭馈源和电压控制网络。所述的具有宽带稳定的180°相位差的可重构透射单元按照阵列排布，组成宽带可重构涡旋波透射阵列。所述喇叭馈源位于所述可重构涡旋波透射阵列的一侧，所述喇叭馈源等效相位中心到所述可重构涡旋波透射阵列中心的距离根据喇叭馈源的口径效率而定，向所述可重构涡旋波透射阵列发射E面H面对称的电磁波束，所述电压控制网络位于所述可重构涡旋波透射阵列的另一侧，所述电压控制网络与所述PIN开关二极管连接，通过在所述PIN开关二极管上正电极处施加高电压或低电压来调控所述PIN开关二极管的通断。所述可重构涡旋波透射阵列产生四个OAM模式(l＝±1,±2)的可重构波束，将信号调制到不同模式的OAM可重构波束上，实现OAM模分复用，同时由于可重构透射单元的相位差稳定，组成的可重构涡旋波透射阵列产生的透射波束在较宽的范围内不受频率影响，提高可重构涡旋波透射阵列增益带宽和模式纯度带宽，进而提高可重构涡旋波透射阵列抗干扰性能，保证通信稳定。
所述可重构涡旋波透射阵列由15×15个所述可重构透射单元组成，所述可重构透射单元的相位补偿Φ有如下关系：
Figure BDA0003226923870000071
l表示OAM模式数，(xi,yi)表示第i个所述可重构透射单元在笛卡尔坐标系中的位置，
Figure BDA0003226923870000072
表示所述可重构涡旋波透射阵产生的携带OAM模式l的涡旋波的波束指向，
Figure BDA0003226923870000073
表示所述可重构透射单元相对所述可重构涡旋波透射阵列中心的方位角,di表示第i个所述可重构单元与馈源相位中心之间的距离，k0表示电磁波传播的波数。
对理想状态下15×15个所述可重构透射单元的补偿相位进行量化处理，量化关系如下：
Figure BDA0003226923870000074
其中，Φ为可重构透射单元的连续补偿相位，Φ1为左侧开关导通状态下可重构透射单元的补偿相位，Φ1+180°为右侧开关导通状态下可重构透射单元的补偿相位，(ΦL,ΦH)为量化至左侧开关导通的相位区间，(ΦL,ΦH)的相位区间差值为180°。
如图6所示，根据可重构透射单元的相位补偿Φ关系和相位量化关系，利用MATLAB进行口面相位综合，得到可重构涡旋波透射阵列在激励l＝±1和l＝±2四种OAM可重构波束时的阵列量化口面相位分布，其中深色表示左侧PIN二极管导通，浅色表示右侧PIN二极管导通。
对激励四种OAM可重构波束的阵列进行单独模拟，在可重构涡旋波透射阵列背离喇叭馈源的一侧的正下方800mm处选择一个大小为400mm×400mm的观测面来观测透射波前幅度和相位分布，如图7所示，在中心频率14.5GHz处，四个模式的波前相位分布均呈现出涡旋形状分布，当OAM模式为1时，相位分布有一个螺旋臂环绕，当OAM模式为2时，相位分布有两个螺旋臂，以此类推。且涡旋的方向与模式数的正负相关，都呈现了良好的OAM涡旋效果。
在本实施例中，主要从增益和模式纯度两个角度评估可重构涡旋波透射阵列激励的OAM可重构波束的性能。
如图8所示，OAM模式l＝1时，阵列最大增益约为17.6dBi，从14GHz到17.4GHz共3.4GHz的频率范围内增益下降保持在3dB以内，3dB增益带宽为23.4％；OAM模式l＝2时，阵列最大增益约为15.2dBi，从14GHz到16.5GHz共在2.5GHz的频率范围内增益下降保持在3dB以内，3dB增益带宽为17.3％。
在本实施例中，利用模式权重系数来评估不同模式OAM波的模式纯度。可重构涡旋波透射阵列的电场分布根据以下公式进行OAM涡旋谱的傅里叶展开：
Figure BDA0003226923870000081
为了获得该辐射场中不同OAM模式所携带的能量，需要对不同OAM模式数对应的展开系数al(r,z)根据以下关系求解：
Figure BDA0003226923870000082
根据以下关系对整个平面内的傅里叶展开系数进行积分或者求和，得到对应某个OAM模式l所携带的能量：
Figure BDA0003226923870000083
再根据以下关系得到不同OAM模式下能量占总能量的比，即可得到不同OAM模式的模式权重系数，即模式纯度：
Figure BDA0003226923870000084
如图9所示，在整个Ku频段内，从12GHz到18GHz，两个OAM模式l＝1和l＝2对应的模式纯度结果均高于60％，模式纯度带宽为41.4％，这一结果得益于所述的可重构透射单元，其两种状态下单元的透射相位都十分稳定，相位差也基本保持在180°不变，因此在整个Ku频带内对电磁波都具有良好的相位调控能力。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可重构透射单元，其特征在于：将辐射贴片分为中央贴片、左贴片和右贴片，根据电流反转原理，控制射频开关的通断来控制中央贴片与左贴片、右贴片的连接，从而控制中央贴片的电流的流向，辐射贴片与接收贴片、金属地板、介质基板和金属馈线共同组成可重构透射单元，使所述可重构透射单元在较宽的频带范围内实行稳定的180°相位差；根据通信频率确定所述左贴片和右贴片的数量和尺寸，以保障可重构透射单元的工作性能；所述工作性能包括透射系数、驻波比、工作带宽。
2.如权利要求1所述的一种可重构透射单元，其特征在于：包括接收贴片、金属地板、辐射贴片、介质基板和金属馈线；所述辐射贴片主要由中央贴片、左贴片和右贴片，以及用于上述贴片之间连接的射频开关组成；所述介质基板包括上层介质和下层介质，所述上层介质叠置于所述接收贴片下侧和所述金属地板上侧，所述下层介质叠置于所述金属地板下侧和所述辐射贴片上侧，所述金属馈线穿过所述上层介质、所述金属地板和所述下层介质，所述金属馈线的两端分别连接所述接收贴片和所述辐射贴片；根据电流反转原理，控制两个射频开关的通断来控制中央贴片与左右贴片的连接，从而控制中央贴片的电流的流向，电流向左和向右流动的两种单元状态具有180°稳定的相位差，即使所述可重构透射单元在较宽的频带范围内实行稳定的180°相位差。
3.如权利要求2所述的一种可重构透射单元，其特征在于：为了保证可重构透射单元在中心频率处有最优的透射性能，同时减少所述接收贴片上表面波的影响，保证所述接收贴片能最大程度地接收电磁波，所述接收贴片的形状为矩形或椭圆形；所述接收贴片的宽度W与所述可重构透射单元的工作频率f、介质基板的相对介电常数εr有如下关系：
Figure FDA0003226923860000011
其中，c为真空中的光速，长度与宽度的比值在1.1-1.3之间。
4.如权利要求1所述的一种可重构透射单元，其特征在于：为了保证可重构透射单元的辐射效率，同时减少高次模的产生，防止电磁场畸变，所述上层介质基板和下层介质基板的宽度和长度都约为0.4λ0，λ0为中心频率处自由空间波长；
为了保证所述接收贴片和所述辐射贴片之间的隔离度，所述金属地板的尺寸与所述上层介质基板和下层介质基板的尺寸相同。
5.如权利要求1所述的一种可重构透射单元，其特征在于：为了满足工程需求，同时保证可重构透射单元的工作频率大于截止频率，抑制所述接收贴片的表面波，作为优选，所述上层介质基板和下层介质基板的材料参数为：相对介电常数εr在2-2.5以内，损耗角正切tanδ在0.0006-0.001以内；所述上层介质基板和下层介质基板的厚度h与相对介电常数εr、截止频率fc存在如下关系：
Figure FDA0003226923860000021
其中n为可重构透射单元场量沿厚度方向出现的半周期数目，c为真空中的光速。
6.如权利要求1所述的一种可重构透射单元，其特征在于：所述接收贴片、所述金属地板和所述辐射贴片的材料都为金属，金属溅射层的厚度为0.018mm-0.03mm；
为了将所述接收贴片上的电磁场耦合到所述辐射贴片上，同时符合工程中金属线的尺寸标准，所述金属馈线一端连接所述接收贴片，另一端连接辐射贴片，所述金属馈线的直径在0.4mm-0.6mm内，所述金属地板的中心有一个金属化过孔，供所述金属馈线穿过，为了保证所述接收贴片和所述辐射贴片的隔离度，所述金属化过孔的直径在0.6mm-0.8mm内。
7.如权利要求1所述的一种可重构透射单元，其特征在于：为了简化所述辐射贴片的结构，保证辐射贴片结构的对称性，提高两种可重构透射单元状态下180°相位差的稳定性，所述辐射贴片由中央贴片、左右各一块的左右贴片和两个射频开关组成；所述中央贴片左右两侧宽边的中心点分别与所述两个射频开关的正极连接，所述两个射频开关的负极分别与所述左右贴片连接；当可重构透射单元工作在Ku频段，中心频率为14.5GHz时，所述中央贴片的宽度为4mm，长度为2mm，所述左侧贴片的宽度为4.5mm，长度为2mm，所述右侧贴片的尺寸与所述左侧贴片相同；为了保证射频开关的工作性能稳定，减少电流损耗，当可重构透射单元工作在Ku频段时，射频开关采用PIN开关二极管。
8.一种宽带可重构涡旋波透射阵列系统，基于如权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的一种的可重构透射单元实现，其特征在于：将具有宽带稳定的180°相位差的可重构透射单元组成可重构涡旋波透射阵列，使所述可重构涡旋波透射阵列产生四个OAM模式(l＝±1,±2)的可重构波束，实现OAM模分复用，同时由于可重构透射单元的相位差稳定，提高可重构涡旋波透射阵列增益带宽和模式纯度带宽，进而提高可重构涡旋波透射阵列抗干扰性能，保证通信稳定。
9.如权利要求8所述的一种宽带可重构涡旋波透射阵列系统，其特征在于：包括可重构涡旋波透射阵列、喇叭馈源和电压控制网络。所述的具有宽带稳定的180°相位差的可重构透射单元按照阵列排布，组成宽带可重构涡旋波透射阵列。所述喇叭馈源位于所述可重构涡旋波透射阵列的一侧，所述喇叭馈源等效相位中心到所述可重构涡旋波透射阵列中心的距离根据喇叭馈源的口径效率而定，向所述可重构涡旋波透射阵列发射E面H面对称的电磁波束，所述电压控制网络位于所述可重构涡旋波透射阵列的另一侧，所述电压控制网络与所述射频开关连接，通过在所述射频开关上正电极处施加高电压或低电压来调控所述射频开关的通断。所述可重构涡旋波透射阵列产生四个OAM模式(l＝±1,±2)的可重构波束，将信号调制到不同模式的OAM可重构波束上，实现OAM模分复用，同时由于可重构透射单元的相位差稳定，组成的可重构涡旋波透射阵列产生的透射波束在较宽的范围内不受频率影响，提高可重构涡旋波透射阵列增益带宽和模式纯度带宽，进而提高可重构涡旋波透射阵列抗干扰性能，保证通信稳定。
10.如权利要求9所述的一种宽带可重构涡旋波透射阵列系统，其特征在于：
为了保证所述馈源喇叭辐射电磁波的旋转对称性，提高所述馈源喇叭的接收效率，所述可重构涡旋波透射阵列发射E面H面对称的笔形电磁波束；
为了得到产生OAM波所需的旋转相位，所述可重构涡旋波透射阵列中可重构透射单元的相位补偿Φ如下关系：
Figure FDA0003226923860000031
l表示OAM模式数，(xi，yi)表示第i个所述可重构透射单元在笛卡尔坐标系中的位置，
Figure FDA0003226923860000032
表示所述可重构涡旋波透射阵产生的携带OAM模式l的涡旋波的波束指向，
Figure FDA0003226923860000033
表示所述可重构透射单元相对所述可重构涡旋波透射阵列中心的方位角,di表示第i个所述可重构单元与馈源相位中心之间的距离,k0表示电磁波传播的波数。
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