CN114597667A - 一种蜂窝状超宽带高增益涡旋波六边形介质柱阵列透镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种蜂窝状超宽带高增益涡旋波六边形介质柱阵列透镜，所述介质透镜包括：离散介质透镜和馈源天线，离散介质透镜包括呈阵列分布的若干介质单元结构，且每个介质单元结构包括依次设置的空气柱、介质柱和十字形介质柱，空气柱和介质柱均为正六边形，介质柱的一端设置有正六边形凹槽结构，空气柱位于介质柱的正六边形凹槽结构中，十字形介质柱的一端与远离空气柱的介质柱的一端相连接，在离散介质透镜一边设置涡旋排布。本发明提供一种生物仿生型蜂窝状超宽带高增益涡旋波六边形介质柱阵列透镜，可以实现电磁波由球面波到平面波的转换，同时实现线极化与圆极化转换，还能实现天线增益在大的频带宽度内增益的提升。
Description
技术领域
本发明属于微波无源器件和微波通信技术领域，具体涉及一种蜂窝状超宽带高增益涡旋波六边形介质柱阵列透镜。
背景技术
电磁波的极化状态是电磁波的一个重要特性，表征为在空间给定点上电场强度矢量的取向随时间变化的特性，并用电场强度矢量的端点随时间变化的轨迹来描述，包含线极化、圆极化和椭圆极化三种极化类型。很多情况下，电磁波的极化方向在实际应用中起到十分关键的作用，这种特性被用于反射面天线、成像系统、传感器以及天线雷达罩等。传统的电磁波极化调控方法包括光栅调控，双色性晶体调控，以及双折射效应调控等。根据这些原理制造出的设备的尺寸远大于工作频段的电磁波波长，构造起来相当复杂而且制作成本很高。超材料(人工电磁材料)是一种人工构造的具有特殊电磁特性的材料，这些特殊的电磁特性使它能够控制电磁波的传输特性，其中就包括电磁波的极化特性。
在现代雷达和无线通信中，仅靠线极化天线已很难满足要求。高增益、圆极化天线由于其具有抗雨雾干扰、抗多径效应等特性受到了广泛的关注。将超材料圆极化器件与传统线极化天线集成实现圆极化电磁波的出射是满足高增益圆极化天线应用需求的一种方法。从微波频段到光波频段，已经有许多基于各向异性超材料和手征超材料的圆极化器件。
但是，这些极化转换器件的工作频率很窄、增益较低，在实际应用中受到了很大的限制。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种蜂窝状超宽带高增益涡旋波六边形介质柱阵列透镜。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种蜂窝状超宽带高增益涡旋波六边形介质柱阵列透镜，所述介质透镜包括：离散介质透镜和馈源天线，其中，
所述离散介质透镜的形状为正六边形，所述离散介质透镜包括呈阵列分布的若干介质单元结构，且每个所述介质单元结构包括依次设置的空气柱、介质柱和十字形介质柱，其中，所述空气柱和所述介质柱均为正六边形，所述介质柱的一端设置有正六边形凹槽结构，所述空气柱位于所述介质柱的所述正六边形凹槽结构中，所述十字形介质柱的一端与远离所述空气柱的所述介质柱的一端相连接；
在所述离散介质透镜一边设置涡旋排布；
所述馈源天线处于靠近所述空气柱的一侧，在高度方向上，靠近所述馈源天线的所述离散介质透镜的面为平面，远离所述馈源天线的所述离散介质透镜的面为曲面。
在本发明的一个实施例中，相邻的两个所述介质单元结构之间的距离为零。
在本发明的一个实施例中，所有所述介质柱的高度从边缘至中心逐渐增大，所有所述十字形介质柱的高度均相等。
在本发明的一个实施例中，所述介质柱(12)在高度为h时提供的修正透射相位的计算公式为：
φc＝φh-2π(hmax-h)/λ0
其中，h为所述介质柱的高度，φc为修正透射相位，φh为在工作频率下的透射相位，hmax为所述介质柱的最大高度，λ0为在工作频率下的波长。在本发明的一个实施例中，所述离散介质透镜的补偿相位的计算公式为：
φtot(x,y)＝φ1+φ2
mod[φtot(xmax,ymax)-φtot(x,y),2k1π]＝φc-φc(xmax,ymax)
其中，φtot(x,y)为坐标(x,y)处所述离散介质透镜(1)的总体补偿相位，φ1为将球面波变为平面波的补偿相位，φ2为将平面波变为涡旋波的补偿相位，k0为传播常数，且k0＝2π/λ0，F0为焦距，l为涡旋波的阶数，mod为取余函数，φc(xmax,ymax)为所述介质柱(12)的最小高度所对应的相位，(xmax,ymax)为距离原点最远的介质单元结构的中心坐标，k1为最大高度hmax的所述介质柱(12)的最大相移2k1π的周期。
在本发明的一个实施例中，所述离散介质透镜的材料包括3D打印材料。
在本发明的一个实施例中，所述介质柱的高度与透射相位之间的关系为：
φ＝-47.13*h+235.2632；
其中，φ为透射相位，h为介质柱的高度，且5≤h≤70。
在本发明的一个实施例中，所述介质柱的外边长h1为中心频率对应波长的1/4，所述介质柱的内边长h2为外边长h1的0.76倍。
在本发明的一个实施例中，所述馈源天线包括线极化天线。
本发明的有益效果：
本发明的离散介质透镜由周期性排列的各向异性介质单元结构构成，其上半部分，呈现六边形凹槽，下半部分为十字形介质柱。十字形介质柱的排布在平面形成±90°相位差，可实现线极化波与左右圆极化波的转换；同时溃源天线照射在透镜后，由于介质超表面呈现的性能，可以进一步将球面波转换为平面波，同时离散介质透镜可以实现超宽频带内(10G带宽)的增益6-8dB的性能提升，且平面波通过透镜后可以实现1阶涡旋波。
本发明可利用3D打印技术制作介质透镜表面，设计简单、成本低廉、易于加工，同时具有增益高、工作频率宽、圆极化效果好的特点。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种离散介质透镜的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种介质单元结构放大后的示意图；
图3是本发明实施例提供的一种l＝1的涡旋波六边形离散介质透镜的总体空间相位分布的示意图；
图4是本发明实施例提供的一种l＝1的涡旋波六边形离散介质透镜的高度分布的示意图；
图5是本发明实施例提供的一种1阶OAM波空间辐射相位分布的示意图。
图中标号：
离散介质透镜-1；空气柱-11；介质柱-12；十字形介质柱-13。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1、图2，图1是本发明实施例提供的一种离散介质透镜的结构示意图，图2是本发明实施例提供的一种介质单元结构放大后的示意图，本实施例提供一种蜂窝状超宽带高增益涡旋波六边形介质柱阵列透镜，该蜂窝状超宽带高增益涡旋波六边形介质柱阵列透镜包括：离散介质透镜1和馈源天线，其中：
离散介质透镜1的形状为正六边形，离散介质透镜1包括呈阵列分布的若干介质单元结构，且每个介质单元结构1包括依次设置的空气柱11、介质柱12和十字形介质柱13，其中，空气柱11和介质柱12均为正六边形，介质柱12的一端设置有正六边形凹槽结构，空气柱11位于介质柱12的正六边形凹槽结构中，十字形介质柱13的一端与远离空气柱11的介质柱12的一端相连接，十字形介质柱13用来提供各向异性，其中，正六边形凹槽结构为抗反射结构，十字形介质柱13为各向异性结构；
在离散介质透镜1一边设置涡旋排布；
馈源天线处于靠近空气柱11的一侧，在高度方向上，靠近馈源天线的离散介质透镜1的面为平面，远离馈源天线的离散介质透镜1的面为曲面，馈源天线提供线极化球面波，馈源天线位于离散介质透镜几何中心轴线上的某一处。
本实施例不对涡旋排布的具体形式进行限制，本领域技术人员可以根据实际的需求设置不同形式的涡旋排布，例如为产生1阶涡旋波的排布。
在本实施例中，如图3所示，介质柱12的外边长h1为所设计中心频率对应波长的1/4，这样可以保证正六边形的最宽处(2*h1)恰好为对应波长的一半，介质柱12的内边长h2为外边长h1的0.76倍，由此可以满足抗反射条件。下部十字形介质柱的四个臂a，b，c，d长度均可调整，以提供满足设计需求的各向异性，即x方向与y方向之间的透射相位差。
在一个具体实施例中，相邻的两个介质单元结构之间的距离为零。
在一个具体实施例中，所有介质柱12的高度从边缘至中心逐渐增大，所有十字形介质柱13的高度均相等。
本实施例通过调整介质柱12的高度，使其在宽频率内辐射单元都可以获得补偿相位，将球面波变为平面波以增加馈源天线增益。
本实施例通过调整十字形介质柱13的高度，使其提供工作频率上X与Y方向±90°的相位差，实现线极化电磁波到圆极化电磁波的有效转换。
在本实施例中，利用十字形介质柱13在两个方向上的等效折射率不同的特性，使沿x和y这两个正交方向上入射的等幅同相电磁波通过各向异性电磁超表面后会产生90°的相位差，将入射的线极化电磁波转换为圆极化电磁波，通过调整十字形介质柱的高度，可以实现在各个工作频率下都较为理想的相位差。同时通过设计上层介质柱12的高度，使其从中间向边缘自然过渡，进而在馈源天线的照射下，将球面波变为平面波，同时经过精心设计的上层涡旋排布，使其实现高增益超宽带全介质超表面涡旋波圆极化器。
请参见图4，图4为在26GHz下正六边形介质柱12的高度与透射相位之间的关系的示意图，其中，介质柱12的高度与透射相位之间的关系可以表示为：
φ＝-47.13*h+235.2632；
其中，φ为透射相位，h为介质柱12的高度，且5≤h≤70。
在本实施例中，如图4所示，若干介质单元结构阵列排布形成人工电磁表面，令人工电磁超表面的中心为原点，经过原点且垂直于人工电磁超表面的直线为z轴，任一移相单元的中心相对原点的坐标为(x,y)，其中，离散介质透镜所需补偿的相位的计算公式为：
φtot(x,y)＝φ1+φ2 (1)
其中，φtot(x,y)为坐标(x,y)处所述离散介质透镜(1)的总体补偿相位，φ1为将球面波变为平面波的补偿相位，φ2为将平面波变为涡旋波的补偿相位，k0为传播常数，且k0＝2π/λ0，F0为焦距，l为涡旋波的阶数。因介质柱12主要通过变换高度来达到所需的透射相位，因此以高度最高的介质柱12的顶端作为计算平面，透射过高度不同介质柱12的电磁波的透射相位与所需要的补偿相位是有差异的，因此高度为h的介质柱12所能提供的修正透射相位φc公式为：
φc＝φh-2π(hmax-h)/λ0 (2)
其中，φc为高度为h的介质柱12所能提供的修正透射相位，φh为高度为h的介质柱12在电磁仿真软件中所设计工作频率下的透射相位，hmax为介质柱12的最大高度，h为介质柱12的高度，λ0为所设计工作频率下的波长。
本实施例利用公式(3)将(x,y)处所需补偿相位φtot(x,y)与介质柱结12所能提供的修正透射相位φc对应起，其中，公式(3)为：
mod[φtot(xmax,ymax)-φtot(x,y),2k1π]＝φc-φc(xmax,ymax) (3)
其中，k1为最大高度hmax的介质柱12的最大相移2k1π的周期，mod为取余函数，φc(xmax,ymax)为介质柱12在最边缘处所对应的相位，最边缘处为最小高度，(xmax,ymax)为距离原点最远的介质单元结构的中心坐标。
因此，根据每一个介质单元结构所在位置(x，y)的不同，根据上述公式(1)-(3)计算出所需的补偿相位并将其转化为介质柱12的高度h。
请参见图5，其为正六边形透镜天线空间辐射相位分布的示意图，可以看出正六边形透镜天线的电场相位呈现良好的涡旋形状，性能优异。
优选地，离散介质透镜1的材料包括3D打印材料，可以利用3D打印技术制作，成本低廉，易于实现和加工。
优选地，馈源天线可以为任意线极化天线,。
进一步地，馈源天线为喇叭天线。
本发明可以通过调节极化器的参数，使其工作在不同的频段，这些参数包括介质柱12的边长与高度、十字形介质柱13的边长与高度以及介质单元结构的介电常数、损耗角正切。通过优化选取相关结构的几何参数后可以在很宽的频带内实现线极化电磁波到圆极化电磁波的有效转换。
请参见图3至图5，本发明利用十字形介质柱在两个方向上的等效折射率不同的特性，使沿x和y这两个正交方向上入射的等幅同相电磁波通过各向异性电磁超表面后会产生90°的相位差，将入射的线极化电磁波转换为圆极化电磁波，通过调整十字形介质柱的高度，可以实现在各个工作频率下都较为理想的相位差。同时人为地设计上层正六边形介质柱的高度，使其从中间向边缘自然过渡，进而在馈电喇叭的照射下，将球面波变为平面波，实现高增益超宽带全介质超表面圆极化器。且平面波通过透镜后可以实现1阶涡旋波。
1、本发明可以在超宽频带内实现线极化电磁波到圆极化电磁波的有效转换。
2、本发明可以在超宽频带内实现球面波到平面波的有效转换。
3、本发明可以在超宽频带内实现天线增益的提升，以及1阶涡旋波的产生。
4、本发明的全介质超表面基本结构简单，可以利用3D打印技术制作，成本低廉，易于实现和加工；
5、本发明通过对本极化器件进行等比例缩减，其还可以工作于其他频段，如毫米波和太赫兹频段。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。“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”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置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。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种蜂窝状超宽带高增益涡旋波六边形介质柱阵列透镜，其特征在于，所述介质透镜包括：离散介质透镜(1)和馈源天线，其中，
所述离散介质透镜(1)的形状为正六边形，所述离散介质透镜(1)包括呈阵列分布的若干介质单元结构，且每个所述介质单元结构包括依次设置的空气柱(11)、介质柱(12)和十字形介质柱(13)，其中，所述空气柱(11)和所述介质柱(12)均为正六边形，所述介质柱(12)的一端设置有正六边形凹槽结构，所述空气柱(11)位于所述介质柱(12)的所述正六边形凹槽结构中，所述十字形介质柱(13)的一端与远离所述空气柱(11)的所述介质柱(12)的一端相连接；
在所述离散介质透镜(1)一边设置涡旋排布；
所述馈源天线处于靠近所述空气柱(11)的一侧，在高度方向上，靠近所述馈源天线的所述离散介质透镜(1)的面为平面，远离所述馈源天线的所述离散介质透镜(1)的面为曲面。
2.根据权利要求1所述的蜂窝状超宽带高增益涡旋波六边形介质柱阵列透镜，其特征在于，相邻的两个所述介质单元结构之间的距离为零。
3.根据权利要求1所述的蜂窝状超宽带高增益涡旋波六边形介质柱阵列透镜，其特征在于，所有所述介质柱(12)的高度从边缘至中心逐渐增大，所有所述十字形介质柱(13)的高度均相等。
4.根据权利要求1所述的蜂窝状超宽带高增益涡旋波六边形介质柱阵列透镜，其特征在于，所述介质柱(12)在高度为h时提供的修正透射相位的计算公式为：
φc＝φh-2π(hmax-h)/λ0
其中，h为所述介质柱(12)的高度，φc为修正透射相位，φh为在工作频率下的透射相位，hmax为所述介质柱(12)的最大高度，λ0为在工作频率下的波长。
5.根据权利要求4所述的蜂窝状超宽带高增益涡旋波六边形介质柱阵列透镜，其特征在于，所述离散介质透镜(1)的补偿相位的计算公式为：
φtot(x，y)＝φ1+φ2
mod[φtot(xmax，ymax)-φtot(x，y)，2k1π]＝φc-φc(xmax，ymax)
其中，φtot(x，y)为坐标(x，y)处所述离散介质透镜(1)的总体补偿相位，φ1为将球面波变为平面波的补偿相位，φ2为将平面波变为涡旋波的补偿相位，k0为传播常数，且k0＝2π/λ0，F0为焦距，l为涡旋波的阶数，mod为取余函数，φc(xmax，ymax)为所述介质柱(12)的最小高度所对应的相位，(xmax，ymax)为距离原点最远的介质单元结构的中心坐标，k1为最大高度hmax的所述介质柱(12)的最大相移2k1π的周期。
6.根据权利要求1所述的蜂窝状超宽带高增益涡旋波六边形介质柱阵列透镜，其特征在于，所述离散介质透镜(1)的材料包括3D打印材料。
7.根据权利要求1所述的蜂窝状超宽带高增益涡旋波六边形介质柱阵列透镜，其特征在于，所述介质柱(12)的高度与透射相位之间的关系为：
φ＝-47.13*h+235.2632；
其中，φ为透射相位，h为介质柱(12)的高度，且5≤h≤70。
8.根据权利要求1所述的蜂窝状超宽带高增益涡旋波六边形介质柱阵列透镜，其特征在于，所述介质柱(12)的外边长h1为中心频率对应波长的1/4，所述介质柱(12)的内边长h2为外边长h1的0.76倍。
9.根据权利要求1所述的蜂窝状超宽带高增益涡旋波六边形介质柱阵列透镜，其特征在于，所述馈源天线包括线极化天线。
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