CN113809546A

CN113809546A - 基于各向异性全息超表面的柱面共形圆极化涡旋波天线

Info

Publication number: CN113809546A
Application number: CN202111187156.1A
Authority: CN
Inventors: 杨锐; 王建
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2021-10-12
Filing date: 2021-10-12
Publication date: 2021-12-17
Anticipated expiration: 2041-10-12
Also published as: CN113809546B

Abstract

本发明提出了一种基于全息超表面的圆极化涡旋合成波柱面共形天线，主要解决现有技术中非平面系统无法实现极化转化和涡旋波生成的问题。其包括辐射器和馈源，辐射器采用多个基于全息原理干涉图分布的各向异性阻抗表面单元组成的柱面结构；每个各向异性阻抗表面单元，包括介质板和印制在介质板的上、下表面的圆形H缝金属贴片和金属地板，每个圆形H缝金属贴片的半径和旋转角度均根据全息干涉图分布变化设置，使得所有各向异性阻抗表面单元形成带有涡旋样式的干涉条纹；馈源采用单极子馈源，并固定在辐射器的中心以产生表面波。本发明利用各向异性阻抗单元对表面波的调制能力，在柱面结构上实现圆极化涡旋合成波辐射，可用于非平面的柱面结构场景。

Description

基于各向异性全息超表面的柱面共形圆极化涡旋波天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别涉及一种柱面共形圆极化涡旋波天线，可用于具有柱面结构载体平台的通讯系统。

技术背景

全息超表面具有剖面低，易共形，馈电网络简单，操控电磁波能力强的优点，目前全息超表面技术已经被广泛应用于通讯领域的接收或发射天线。

现有全息超表面天线实现了圆极化辐射和定向波束。例如，授权公告号为CN104733850A，名称为“基于全息调制的人工张量阻抗表面天线及其实现方法”的中国专利，公开了一种利用全息张量表面阻抗调制原理获得特定目标辐射场的人工阻抗表面，该方法通过设计张量全息超表面的干涉场分布，实现对源场表面波极化状态的转化。但是，该方法由于采用的超表面单元形式能够实现的阻抗调制范围较小，因而很难完成对源场幅相信息的完全调控以生成涡旋波。

现有研究中也有采用全息超表面天线共形于曲面结构上实现定向波束辐射。例如，2015年，张袁在名为“共形全息人工阻抗表面天线的研究”的硕士论文中，公开了一种基于锥形曲面结构产生固定笔形波束的各向同性全息阻抗表面天线，其利用公式计算曲面阻抗梯度，对表面波在曲面结构上波前相位调控，实现了定向波束辐射。但是，面对非平面系统，由于其各向同性全息超表面天线不存在方向性，只能操控单一方向上电场的幅相，故很难实现目标辐射场相对于源场的极化转化。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出一种基于各向异性全息超表面的柱面共形圆极化涡旋波天线，以在柱形曲面结构上实现辐射场相对于源场的极化转化，同时生成涡旋波。

为实现上述目的，本发明基于各向异性全息超表面的柱面共形圆极化涡旋波天线，包括辐射器和馈源，其特征在于：

所述辐射器1，采用由m×n个基于全息原理干涉图分布的各向异性阻抗表面单元11组成的柱面共形各向异性全息超表面结构，其中m≥50，n≥50；

每个各向异性阻抗表面单元11，包括介质板111、圆形H缝金属贴片112和金属地板113，圆形H缝金属贴片112和金属地板113分别印制在介质板111的上、下表面，印制金属地板113的物理尺寸与介质板111相同；

每个各向异性阻抗表面单元中的圆形H缝金属贴片112大小和方向不同，即每个圆形H缝金属贴片112的半径和旋转角度均根据全息干涉图分布变化设置，使得所有各向异性阻抗表面单元11形成带有涡旋样式的干涉条纹。

所述馈源，采用单极子馈源2，且固定在辐射器1的正中心，其伸出辐射器1的长度T产生的表面波被辐射器1调制成圆极化与涡旋波合成波辐射，3mm≤T≤10mm，

进一步，各向异性阻抗表面单元11基于全息原理干涉图分布，是按照如下矩阵进行：

其中，Z表示各向异性全息超表面的阻抗分布，是一个反Hermit纯虚数二阶矩阵，j为虚数单位；Z_xx、Z_yy分别表示柱面共形各向异性全息超表面在x方向和y方向的阻抗分布，Z_xy和Z_yx分别表示柱面共形各向异性全息超表面在xy和yx方向的阻抗分布，Z_xy＝Z_yx；

式中，X和M分别表示平均表面阻抗的大小和调制深度，

为在柱面共形各向异性全息超表面上传播的表面电流的横向波矢量，

为柱面共形各向异性全息超表面上任意一点沿表面与单极子馈源的矢量距离，x,y,z为笛卡尔坐标系的坐标，θ是圆极化涡旋合成波偏离z轴的角度，l和

分别是柱面共形各向异性全息超表面上所需的OAM模式和第(m,n)个各向异性阻抗表面单元所需的OAM方位角，

为右旋圆极化波的相位信息表示为：

式中，

为辐射圆极化涡旋合成波的波矢量；ρ为圆柱形曲面的曲率半径，其根据圆柱形曲面的弯曲程度决定。

进一步，圆形H缝金属贴片112的半径R，通过其所处位置的等效标量阻抗Z_max确定：

其中，

Z_max＝jZ₀{-j(Z₀ ²-Z_xy ²+Z_xxZ_yy)±[-(Z₀ ²-Z_xy ²+Z_xxZ_yy)²+4Z₀ ²×(Z_yycos²θ_t-Z_xysin2θ_t+Z_xxsin²θ_t)×(Z_xxcos²θ_t+Z_xysin2θ_t+Z_yysin²θ_t)^1/2}×[2Z₀(Z_yycos²θ_t-Z_xysin2θ_t+Z_xxsin²θ_t)]^-1

式中，Z₀为自由空间中的波阻抗，θ_t为圆形H缝金属贴片112以中心点为基准的旋转角度，j为虚数单位，Z_xx、Z_yy和Z_xy分别表示柱面共形各向异性全息超表面在x方向、y方向和xy方向的阻抗分布。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明的辐射器由于采用基于全息原理的干涉图分布的形式对各向异性阻抗表面单元进行排列，组成圆柱形曲面结构，可使所有单元形成带有涡旋样式的干涉条纹，利于形成调制表面波。

2、本发明由于采用单极子馈源，可使其产生的表面波被柱面共形各向异性全息超表面调制，形成圆极化涡旋波合成波辐射。

3、本发明的柱面共形各向异性全息超表面单元由于采用圆形H缝隙贴片，其贴片半径和旋转角度分别对应源场的幅值和相位变化，从而能够完成辐射场相对于源场的极化转化与涡旋波生成。

附图说明

图1为本发明实施例的整体结构示意图；

图2为本发明实施例的xoz剖面结构示意图；

图3为本发明中各向异性阻抗表面单元的结构示意图；

图4为本发明中各向异性阻抗表面单元的圆形H缝隙单元半径与等效标量阻抗值的关系曲线图；

图5为本发明实施例的S11仿真结果图；

图6为本发明实施例在工作频率为15GHz时，辐射角在θ＝0°方向上的二维增益仿真结果图；

图7为本发明实施例在工作频率为15GHz时，辐射角从θ＝-10°到θ＝+10°的轴比仿真结果图；

图8为本发明实施例在工作频率为15GHz时，近场平面距离柱面共形各向异性全息超表面的高度为z＝2m下的近场仿真结果图；

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施例和效果作进一步详细描述。

参照图1和图2，本实例包括辐射器1和馈源2，其中：

所述辐射器1，采用由m×n个基于全息原理干涉图分布的各向异性阻抗表面单元11组成曲率半径为ρ的柱面共形各向异性全息超表面结构，其中m≥50，n≥50；

所述馈源2，采用由SMA同轴电缆的内导体构成的单极子天线，其固定在辐射器1的正中心，SMA同轴电缆内导体伸出辐射器1的长度为T，馈源的长度T与馈源的工作频率相关，即工作频率等于c/4T，其中，3mm≤T≤10mm，c为自由空间中的光速。

参照图3，每个各向异性阻抗表面单元11，包括介质板111、圆形H缝金属贴片112和金属地板113，圆形H缝金属贴片112和金属地板113分别印制在介质板111的上、下表面。该圆形H缝金属贴片112位于介质板111的中心法线上，两者的正中心重合，且圆形H缝金属贴片112以自身中心点为基准旋转的角度θ_t和半径R均根据全息干涉图分布变化设置，以使所有各向异性阻抗表面单元11形成带有涡旋样式的干涉条纹；该介质板111的物理尺寸为A×A，厚度为B，相对介电常数为4.4，相对磁导率为1，其中，2mm≤A≤5mm，1.5mm≤B≤2mm，印制金属地板113的物理尺寸与介质板111相同。

本实例设但不限于m＝51，n＝51，A＝3mm，B＝1.8mm，T＝5.4mm，馈源与辐射器的工作频率为15GHz。

上述各向异性阻抗表面单元11基于全息原理干涉图分布，是按照如下设计进行：

首先，根据馈源产生的表面电流J_surf和辐射波E_rad计算能够表示全息原理干涉图分布的各向异性全息超表面阻抗Z

其中，Z是一个反Hermit纯虚数二阶矩阵，j为虚数单位，

为共轭转置，

为克罗内克积，Z_xx、Z_yy分别表示柱面共形各向异性全息超表面在x方向和y方向的阻抗分布，Z_xy和Z_yx分别表示柱面共形各向异性全息超表面在xy和yx方向的阻抗分布，Z_xy＝Z_yx。

本实例中设计表面电流为单极子天线馈源产生的表面电流J_surf，辐射波为右旋圆极化涡旋波合成波E_rad，分别表示如下：

其中，

为在柱面共形各向异性全息超表面上传播的表面电流的横向波矢量，k_t＝φ/A，φ为各向异性阻抗表面单元的主从边界相位差，

为柱面共形各向异性全息超表面上任意一点沿表面与单极子馈源的矢量距离，

x,y,z为笛卡尔坐标系的坐标，θ是圆极化涡旋合成波偏离z轴的角度，

是方位角，l和

为右旋圆极化波的相位信息表示为：

式中

为辐射圆极化涡旋合成波的波矢量，k_x＝k₀x，k_y＝k₀y，

k₀为自由空间中的波数，k₀＝2π/λ，λ为工作频率对应的波长，ρ为圆柱状曲面的曲率半径；

最终，将J_surf和E_rad代入到各向异性全息超表面的阻抗分布Z的矩阵中，计算其中的Z_xx、Z_yy和Z_xy：

本实例设但不限于φ＝72，θ＝0°，

l＝-1，ρ＝100mm。

按照计算得到的各向异性全息超表面阻抗分布Z分量即Z_xx、Z_yy和Z_xy的位置对各向异性阻抗表面单元11进行排列，形成柱面共形各向异性全息超表面结构，以产生带有涡旋样式的干涉条纹。

上述各向异性阻抗表面单元11中的圆形H缝金属贴片112半径R不同，其通过每个不同方向的阻抗表面单元所处位置的等效标量阻抗Z_max确定：

首先，定义各向异性阻抗表面单元11的等效标量阻抗Z_max，表示为：

其中，Z₀＝120π为自由空间的波阻抗，θ_t为圆形H缝金属贴片的旋转角度；

然后，在电磁仿真软件cst2017的本征模仿真条件下，改变圆形H缝金属贴片112的半径R时，各向异性全息阻抗表面的阻抗Z中的分量Z_xx、Z_yy和Z_xy会随之改变，根据上述的等效标量阻抗Z_max计算公式，得到圆形H缝金属贴片112的半径R与其所处位置的等效标量阻抗Z_max之间的关系式为：

其中，Z_max∈[280，380]，圆形H缝隙单元半径R与等效标量阻抗值Z_max的关系曲线如图4所示。

按照不同位置的等效标量阻抗Z_max得到对应圆形H缝金属贴片112的半径R，构成所有的各向异性阻抗表面单元11，将这些单元按照干涉图分布，即按照每个单元所计算出的Z_xx、Z_yy和Z_xy位置排列形成辐射器1。

以下结合仿真实验结果，对本发明的技术效果作进一步详细描述。

1、仿真条件：

使用电磁仿真软件CST 2017对上述实施案例进行仿真。

2、仿真内容：

仿真1，对本发明实施例在工作频率为15GHz时的S11进行仿真，其结果如图5所示。从图5可见，本实例天线在14-16GHz范围内的S11均小于-10dB，表明天线匹配良好。

仿真2，对本发明实施例在工作频率为15GHz时在法向方向上的远场辐射方向图进行仿真，其结果如图6所示。从图6可见，本实施例在法向方向即θ＝0°方向上实现了涡旋波束与右旋圆极化合成波辐射，其增益为17.09dBi，其交叉极化即左旋圆极化波的最高增益为2.96dBi。

仿真3，对本发明实施例在工作频率为15GHz时，辐射角θ＝-10°到θ＝+10°的轴比进行仿真，其结果如图7所示。从图7可见，本实例天线在θ＝-10°到θ＝+10°的轴比均小于3dB，在法向方向即θ＝0°方向上附近的涡旋波处存在大于3dB的现象，实现了圆极化涡旋波束特有的轴比特性。

仿真4，对本发明实施例在工作频率为15GHz时，近场平面距离柱面共形各向异性全息超表面的高度为z＝2m下的近场进行仿真，结果如图8所示，其中，图8(a)为电场仿真图，图8(b)为相位仿真图。

从图8(a)可见，本实例天线在近场平面距离柱面共形各向异性全息超表面的高度为z＝2m下的法向方向即θ＝0°方向上存在一个电场极小值。

从图8(b)可见，从0°到360°形成了相位旋转。

图8表明，本发明的共形全息阻抗表面实现了模态l＝-1涡旋波的辐射。

综上，本发明实现了一种基于各向异性全息超表面的柱面共形表面波天线，馈源产生的线极化表面波沿着辐射器表面传播时，表面波的幅值和相位能够被各向异性全息阻抗表面中基于干涉图分布的圆形H缝隙贴片调制，形成圆极化涡旋波合成波束辐射，馈源固定在辐射器上，结构易于制作，且可应用于诸多非平面的柱面结构场景中。

以上描述仅是本发明的优选实施方式，并不对本发明构成限制，对于本领域的普通技术人员来说，均可在不脱离本发明创新构思的前提下所做出的若干变形和改进，但这些改变均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于各向异性全息超表面的柱面共形圆极化涡旋波天线，包括辐射器(1)和馈源(2)，其特征在于：

所述辐射器(1)，采用由m×n个基于全息原理干涉图分布的各向异性阻抗表面单元(11)组成的柱面共形各向异性全息超表面结构，其中m≥50，n≥50；

每个各向异性阻抗表面单元(11)，包括介质板(111)、圆形H缝金属贴片(112)和金属地板(113)，圆形H缝金属贴片(112)和金属地板(113)分别印制在介质板(111)的上、下表面；

每个各向异性阻抗表面单元中的圆形H缝金属贴片(112)大小和方向不同，即每个圆形H缝金属贴片(112)的半径和旋转角度均根据全息干涉图分布变化设置，使得所有各向异性阻抗表面单元(11)形成带有涡旋样式的干涉条纹；

所述馈源(2)，采用单极子馈源，且固定在辐射器(1)的正中心，其伸出辐射器(1)的长度T与馈源的工作频率相关，其产生的表面波被辐射器(1)调制成圆极化与涡旋波合成波辐射，3mm≤T≤10mm。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，圆形H缝金属贴片(112)位于介质板(111)的上表面中心法线上，两者的正中心重合，且圆形H缝金属贴片(112)以自身中心点为基准旋转角度θ_t。

3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：各向异性阻抗表面单元(11)基于全息原理干涉图分布，是按照如下矩阵进行：

式中，X和M分别表示平均表面阻抗的大小和调制深度，

为右旋圆极化波的相位信息表示为：

式中，

4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：圆形H缝金属贴片(112)的半径R，通过其所处位置的等效标量阻抗Z_max确定：

Z_max∈[280，380]

其中，

式中，Z₀为自由空间中的波阻抗，θ_t为圆形H缝金属贴片(112)以中心点为基准的旋转角度，j为虚数单位，Z_xx、Z_yy和Z_xy分别表示柱面共形各向异性全息超表面在x方向、y方向和xy方向的阻抗分布。

5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：介质板(111)采用介电常数为4.4，磁导率为1的介质材料，其物理尺寸为A×A，2mm≤A≤5mm，厚度为B，1.5mm≤B≤2mm。

6.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：印制金属地板(113)的物理尺寸与介质板(111)相同。