本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，更進(jìn)一步涉及電磁材料技術(shù)領(lǐng)域中的一種利用單層電磁超表面實(shí)現(xiàn)天線波束匯聚，提高天線增益的高增益軌道角動量陣列天線。本發(fā)明可在通信技術(shù)領(lǐng)域的射頻和微波波段，實(shí)現(xiàn)多種模態(tài)軌道角動量渦旋電磁波的高增益發(fā)射和傳輸。

背景技術(shù)：

軌道角動量渦旋電磁波是攜帶有軌道角動量的螺旋電磁波束，不同模式的軌道角動量之間具有正交性，所以在同一工作頻率可以傳輸多種模式的軌道角動量渦旋電磁波，且軌道角動量的模式在理論上可取值無窮，因此利用軌道角動量渦旋電磁波可極大的提升通信頻譜利用率，在無線通信領(lǐng)域發(fā)揮重大作用。然而，由于傳統(tǒng)軌道角動量渦旋電磁波的波前含有光強(qiáng)為0的奇點(diǎn)，并且隨著軌道角動量模式階數(shù)的增加，奇點(diǎn)區(qū)域面積隨之增大，從而造成了軌道角動量渦旋電磁波本身的發(fā)散特性，不利于遠(yuǎn)距離傳輸。因此減小軌道角動量渦旋電磁波的光強(qiáng)奇點(diǎn)區(qū)域面積，實(shí)現(xiàn)高階模式的軌道角動量渦旋波主波束增益提升，有利于解決高階模式渦旋波不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膯栴}。

浙江大學(xué)在其申請的專利文獻(xiàn)“一種基于相移表面的軌道角動量平面螺旋相位板”(申請?zhí)枺?01510654873.9，公開號：105206900a)中提出了一種可產(chǎn)生1階模態(tài)軌道角動量的平面螺旋相位板。該平面螺旋相位板的由多個尺寸不同的相移單元組成，每個相移單元由多層介質(zhì)層和金屬層組成，介質(zhì)層和金屬層間隔排布。該螺旋相位板以印刷電路板的方式制作，制備工藝簡單，成本低，通過調(diào)控每個相移單元的相位延遲特性實(shí)現(xiàn)了1階模態(tài)的軌道角動量。但是，該高增益軌道角動量陣列天線仍然存在的不足之處是：第一，該螺旋相位板由不同尺寸的相移單元組成，不同尺寸的相移單元對入射電磁波會產(chǎn)生不同程度的反射，該不同程度的反射會導(dǎo)致發(fā)射效率低、軌道角動量波束畸變、通信質(zhì)量下降。第二，該螺旋相位板雖然實(shí)現(xiàn)了1階模態(tài)的軌道角動量，但該螺旋相位板產(chǎn)生的角動量渦旋電磁波的模態(tài)較低階，無法實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的高效多通道傳輸。第三，該反射陣天線的相移單元包括多層介質(zhì)板和金屬層，介質(zhì)層和金屬層間隔排布的方式較為復(fù)雜，對加工精度要求高，加工成本昂貴，工程實(shí)現(xiàn)性差。

浙江科技學(xué)院在其申請的專利文獻(xiàn)“一種基于相位梯度超表面產(chǎn)生微波軌道角動量的陣列天線”(申請?zhí)枺?01610237896.4，公開號：105870604a)中提出了一種基于相位梯度超表面產(chǎn)生微波軌道角動量的反射陣天線。該反射陣天線由不同尺寸的反射型移相單元排列組成，每個反射型移相單元由介質(zhì)板，金屬層和金屬管組成。該陣列天線具有優(yōu)越的反射效果，通過調(diào)控每個反射型移相單元的尺寸實(shí)現(xiàn)對每個反射型移相單元的相位延遲特性調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)了1階模態(tài)的軌道角動量。但是，該裝置仍然存在的不足之處是：第一，該相位梯度超表面由不同尺寸的移相單元組成，不同尺寸的移相單元會對入射電磁波會產(chǎn)生不同程度的反射，該不同程度的反射會導(dǎo)致發(fā)射效率低、軌道角動量波束畸變、通信質(zhì)量下降。第二，該反射陣天線雖然實(shí)現(xiàn)了1階模態(tài)的軌道角動量，但該反射陣天線產(chǎn)生的角動量渦旋電磁波的模態(tài)較低階，無法實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的高效多通道傳輸。第三，該移相單元由介質(zhì)板，金屬層和金屬管組成，由多個移相單元組成的反射陣天線對加工精度要求高，加工成本昂貴，工程實(shí)現(xiàn)性差。

電子科技大學(xué)在其申請的專利文獻(xiàn)“一種軌道角動量天線”(申請?zhí)枺?01510770352.x，公開號：105322285a)中提出了一種可產(chǎn)生軌道角動量的天線，該天線由拋物型反射面和螺旋天線饋源組成，螺旋天線饋源為帶地板的平面螺旋天線，拋物型反射面為標(biāo)準(zhǔn)的旋轉(zhuǎn)拋物面或切割拋物面，螺旋天線作為饋源用于對拋物型反射面進(jìn)行饋電，螺旋天線饋源的輻射場經(jīng)過拋物型反射面的反射可得到2階、-2階、1階模態(tài)的軌道角動量電磁波。但是，該裝置仍然存在的不足之處是：第一，該軌道角動量天線雖然實(shí)現(xiàn)了2階、-2階、1階三種模態(tài)的軌道角動量，但該軌道角動量天線產(chǎn)生的角動量渦旋電磁波的波前的光強(qiáng)為0的奇點(diǎn)區(qū)域面積較大，且隨著軌道角動量模式階數(shù)的增加，奇點(diǎn)區(qū)域面積隨之增大，從而導(dǎo)致發(fā)射效率低、軌道角動量波束畸變、通信質(zhì)量下降。第二，該軌道角動量天線雖然實(shí)現(xiàn)了2階、-2階、1階三種模態(tài)的軌道角動量，但該軌道角動量天線產(chǎn)生的角動量渦旋電磁波的模態(tài)較低階，無法實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的高效多通道傳輸。第三，該拋物型反射面和螺旋天線饋源均為非平面結(jié)構(gòu)，對加工精度要求高，加工成本昂貴，工程實(shí)現(xiàn)性差。

綜上所述，目前軌道角動量渦旋電磁波的產(chǎn)生裝置存在三個問題，其一是，現(xiàn)有的軌道角動量渦旋電磁波的產(chǎn)生裝置都有發(fā)射效率低、軌道角動量波束畸變、通信質(zhì)量下降的不足。其二是，現(xiàn)有的軌道角動量渦旋電磁波的產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的角動量渦旋電磁波的模態(tài)較低階，無法實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的高效多通道傳輸。其三是，現(xiàn)有的軌道角動量渦旋電磁波的產(chǎn)生裝置對加工精度要求高，加工成本昂貴，工程實(shí)現(xiàn)性差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種利用單層電磁超表面產(chǎn)生高增益軌道角動量渦旋電磁波的裝置，通過在圓環(huán)形天線陣上方設(shè)置單層電磁超表面，并控制單層電磁超表面與圓環(huán)形天線陣之間的距離，使得每種軌道角動量渦旋電磁波模態(tài)對應(yīng)的主波束增益提升，縮小對應(yīng)的波前光強(qiáng)為0的奇點(diǎn)區(qū)域面積，解決軌道角動量渦旋電磁波發(fā)射效率低、軌道角動量波束畸變、通信質(zhì)量下降，無法實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的高效多通道傳輸?shù)葐栴}。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的具體思路是：由n個天線陣元沿著半徑為r的圓周均勻等間隔排布組成圓環(huán)形天線陣，n個天線陣元被饋入相同幅度的信號,相鄰天線陣元之間的固定相位延遲為2l/n，通過控制n個天線陣元的相位分布，分別實(shí)現(xiàn)0階，1階，2階，3階四種模態(tài)的軌道角動量渦旋電磁波。在圓環(huán)形天線陣上方設(shè)置單層電磁超表面。圓環(huán)形天線陣發(fā)出的電磁波照射到單層電磁超表面上產(chǎn)生多次反射，軌道角動量波束的主波束向圓環(huán)形天線陣的輻射方向中軸線聚攏，波前光強(qiáng)為0的奇點(diǎn)區(qū)域面積縮小。通過設(shè)置單層電磁超表面與圓環(huán)形天線陣之間的距離，使每種軌道角動量模態(tài)對應(yīng)的主波束增益提升值最大化，對應(yīng)的波前光強(qiáng)為0的奇點(diǎn)區(qū)域面積最小化，從而解決高階軌道角動量渦旋電磁波發(fā)射效率低、軌道角動量波束畸變、通信質(zhì)量下降，無法實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的高效多通道傳輸，工程實(shí)現(xiàn)性差等問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明包括介質(zhì)基板，金屬地板和天線陣元。還包括設(shè)置在金屬地板2上方的單層電磁超表面4，單層電磁超表面4由附著在介質(zhì)板41上沿x，y軸二維排布的p1×p2個電磁超表面單元42組成，p1，p2為正整數(shù)，排布間隔距離為p。所述介質(zhì)基板的下表面附著有金屬地板，上表面附著有n個天線陣元,n為大于2l的正整數(shù)，l表示軌道角動量的模態(tài)數(shù)。天線陣元通過饋電金屬柱與金屬地板上的輸入端口相連。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

第一，由于本發(fā)明采用在可產(chǎn)生軌道角動量渦旋電磁波的n個天線陣元上方設(shè)置單層電磁超表面，軌道角動量渦旋電磁波照射到電磁超表面上產(chǎn)生多次反射，使得軌道角動量波束的主波束向n個天線陣元產(chǎn)生的電磁波輻射方向中心聚攏，實(shí)現(xiàn)高增益的軌道角動量渦旋電磁波，克服了現(xiàn)有技術(shù)存在的發(fā)射效率低、軌道角動量波束畸變、通信質(zhì)量下降的不足，使得本發(fā)明在不改變天線陣元的結(jié)構(gòu)和排布方式的情況下，顯著提升軌道角動量渦旋電磁波對應(yīng)的主波束增益，縮小波前光強(qiáng)為0的奇點(diǎn)區(qū)域面積,從而保證遠(yuǎn)距離傳輸軌道角動量渦旋電磁波。

第二，由于本發(fā)明采用在產(chǎn)生軌道角動量渦旋電磁波的陣列天線上方設(shè)置單層電磁超表面，通過調(diào)整電磁超表面與陣列天線的金屬地板之間的距離，最大程度的縮小高階模式軌道角動量波束的波前光強(qiáng)為0的奇點(diǎn)區(qū)域面積，實(shí)現(xiàn)高增益的高階模式軌道角動量渦旋電磁波，克服了現(xiàn)有技術(shù)存在的角動量渦旋電磁波的模態(tài)較低階，無法實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的高效多通道傳輸?shù)牟蛔悖沟帽景l(fā)明通過饋給n個天線陣元(n/2-1)種獨(dú)立的相位分布來實(shí)現(xiàn)最高可達(dá)(n/2-1)階模態(tài)的高增益軌道角動量渦旋電磁波，從而保證高效多通道的通信傳輸。

第三，由于本發(fā)明采用在沿半徑為r的圓周均勻等間隔的排布的n個天線陣元上方設(shè)置單層電磁超表面，通過在單層介質(zhì)板上印制沿x，y軸二維周期排布的p1×p2個尺寸相同的電磁超表面單元，極大的簡化了高增益軌道角動量渦旋電磁波的裝置設(shè)計(jì)，克服了現(xiàn)有技術(shù)存在的軌道角動量渦旋電磁波的產(chǎn)生裝置對加工精度要求高，加工成本昂貴，工程實(shí)現(xiàn)性差的不足，使得本發(fā)明通過使用單層電磁超表面和天線陣列的形式來實(shí)現(xiàn)高增益軌道角動量渦旋電磁波，從而降低了產(chǎn)生高增益軌道角動量渦旋電磁波裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，工程可實(shí)現(xiàn)性好。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例1放置單層電磁超表面前后的遠(yuǎn)場輻射方向圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例1放置單層電磁超表面前后的近場平面上的相位分布圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例2放置單層電磁超表面前后的遠(yuǎn)場輻射方向圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例2放置單層電磁超表面前后的近場平面上的相位分布圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例3放置單層電磁超表面前后的遠(yuǎn)場輻射方向圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例3放置單層電磁超表面前后的近場平面上的相位分布圖；

圖8為本發(fā)明實(shí)施例1放置單層電磁超表面前后的遠(yuǎn)場輻射方向圖；

圖9為本發(fā)明實(shí)施例1放置單層電磁超表面前后的近場平面上的相位分布圖。

具體實(shí)現(xiàn)方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。

參照附圖1，對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

本發(fā)明包括介質(zhì)基板1，金屬地板2和天線陣元3。還包括設(shè)置在金屬地板2上方的單層電磁超表面4，兩者之間的距離在范圍λ/10-λ內(nèi)選取。單層電磁超表面4由附著在介質(zhì)板41上沿x，y軸二維排布的p1×p2個電磁超表面單元42組成，p1，p2為正整數(shù)，排布間隔距離為p,排布間隔距離p的取值范圍為λ/4-λ/2。介質(zhì)板單元41的相對介電常數(shù)為εr，厚度為t，εr的取值范圍為2-10，t的取值范圍為0.5mm-3mm。電磁超表面單元42是柵格形、圓形、大于3的正v邊形中的任意一種形狀,v為大于3的正整數(shù)。介質(zhì)基板1的下表面附著有金屬地板2，上表面附著有n個天線陣元3,n為大于2l的正整數(shù)，l表示軌道角動量的模態(tài)數(shù)。介質(zhì)基板1的相對介電常數(shù)為εr，厚度為h，εr的取值范圍為2-10，h的取值范圍為0.5mm-3mm。介質(zhì)基板1和金屬地板2為圓形或者正k邊形，k為大于3的正整數(shù)。天線陣元3通過饋電金屬柱31與金屬地板2上的輸入端口21相連。天線陣元3的形狀是m邊形或者圓形,m為大于3的正整數(shù)。天線陣元3沿半徑為r的圓周均勻等間隔的排布在介質(zhì)基板1的上表面,r>0.6λ，λ表示天線陣元3在工作頻率處的波長。輸入端口21是蝕刻在金屬地板2上的圓形孔，輸入端口21與饋電金屬柱31同軸。

參照附圖2，對本發(fā)明實(shí)施例1放置單層電磁超表面4前后的遠(yuǎn)場輻射方向圖作進(jìn)一步的描述。

本發(fā)明中實(shí)施例1的高增益軌道角動量陣列天線整體結(jié)構(gòu)示意圖與圖1相同，介質(zhì)基板1和金屬地板2的形狀為正四邊形，介質(zhì)基板1的相對介電常數(shù)εr為2.65，厚度h為0.8mm，天線陣元3的形狀為圓形，n為8，8個天線陣元3沿半徑r為60mm的圓周均勻等間隔排布組成陣列天線，陣列天線的工作頻率為10ghz，相應(yīng)的波長λ為30mm，單層電磁超表面4設(shè)置于金屬地板2的上方，兩者之間的距離為16.2mm，單層電磁超表面4由附著在介質(zhì)板41上沿x，y軸二維周期排布的p1×p2個電磁超表面單元42組成，p1為17，p2為18，排布間隔距離p為10mm，電磁超表面單元42是邊長為8mm的正四邊形，介質(zhì)板41的相對介電常數(shù)εr為2.65，厚度t為1.5mm。通過對8個天線陣元3饋以等幅同相信號，可實(shí)現(xiàn)模態(tài)為0的軌道角動量電磁渦旋波。圖2中的橫坐標(biāo)為方向角(單位為deg)，縱坐標(biāo)為增益(單位為db)，圖2中的曲線為實(shí)現(xiàn)0模態(tài)軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4前后的遠(yuǎn)場輻射增益隨著方向角度的變化曲線。曲線d0為實(shí)現(xiàn)0模態(tài)軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4前的遠(yuǎn)場輻射增益隨著方向角度的變化曲線，曲線d0c為實(shí)現(xiàn)0模態(tài)軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4后的遠(yuǎn)場輻射增益隨著方向角的變化曲線。陣列天線的主波束方向?yàn)榉较蚪巧系淖畲笤鲆?。?shí)現(xiàn)0模態(tài)軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4后相對于放置單層電磁超表面4前的主波束增益提高了10.1db，波束中心空域面積縮小，即可實(shí)現(xiàn)模態(tài)為0的軌道角動量渦旋電磁波遠(yuǎn)距離傳輸。

參照附圖3，對本發(fā)明實(shí)施例1放置單層電磁超表面4前后的近場平面上的相位分布圖作進(jìn)一步的描述。

本發(fā)明中實(shí)施例1的高增益軌道角動量陣列天線整體結(jié)構(gòu)示意圖與圖1相同，介質(zhì)基板1和金屬地板2的形狀為正4邊形，介質(zhì)基板1的相對介電常數(shù)εr為2.65，厚度h為0.8mm，天線陣元3的形狀為圓形，n為8，8個天線陣元3沿半徑r為60mm的圓周均勻等間隔排布組成陣列天線，陣列天線的工作頻率為10ghz，相應(yīng)的波長λ為30mm，單層電磁超表面4設(shè)置于金屬地板2的上方，兩者之間的距離為16.2mm，單層電磁超表面4由附著在介質(zhì)板41上沿x，y軸二維周期排布的p1×p2個電磁超表面單元42組成，p1為17，p2為18，排布間隔距離p為10mm，電磁超表面單元42是邊長為8mm的正四邊形，介質(zhì)板41的相對介電常數(shù)εr為2.65，厚度t為1.5mm。通過對8個天線陣元3饋以等幅同相信號，可實(shí)現(xiàn)模態(tài)為0的軌道角動量電磁渦旋波。圖3中的橫坐標(biāo)是近場平面二維坐標(biāo)中的一維坐標(biāo)(單位為mm)，縱坐標(biāo)是近場平面二維坐標(biāo)中的另一維坐標(biāo)(單位為mm)，右側(cè)的顏色深淺代表相位值(deg)，近場平面為距離陣列天線法向17λ處尺寸為17λ×17λ的二維平面，圖3中的平面二維圖為實(shí)現(xiàn)0模態(tài)軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4前后的螺旋波前相位在近場平面上的二維分布。p0標(biāo)記的平面二維圖為實(shí)現(xiàn)0模態(tài)軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4前的螺旋波前相位在近場平面上的二維分布，p0c標(biāo)記的平面二維圖為實(shí)現(xiàn)0模態(tài)軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4后的螺旋波前相位在近場平面上的二維分布。陣列天線放置單層電磁超表面4前后的近場平面上的相位分布圖均能實(shí)現(xiàn)明顯的模態(tài)為0的軌道角動量渦旋電磁波特性，即單層電磁超表面4放置于陣列天線上可以在提高模態(tài)為0的軌道角動量主波束增益的同時保持軌道角動量電磁渦旋波的相位特性，從而保證遠(yuǎn)距離傳輸?shù)耐ㄐ刨|(zhì)量。

參照附圖4，對本發(fā)明實(shí)施例2放置單層電磁超表面4前后的遠(yuǎn)場輻射方向圖作進(jìn)一步的描述。

本發(fā)明中實(shí)施例2的高增益軌道角動量陣列天線整體結(jié)構(gòu)示意圖與圖1相同，介質(zhì)基板1和金屬地板2的形狀為正4邊形，介質(zhì)基板1的相對介電常數(shù)εr為2.65，厚度h為0.8mm，天線陣元3的形狀為圓形，n為8，8個天線陣元3沿半徑r為60mm的圓周均勻等間隔排布組成陣列天線，陣列天線的工作頻率為10ghz，相應(yīng)的波長λ為30mm，單層電磁超表面4設(shè)置于金屬地板2的上方，兩者之間的距離為16.3mm，單層電磁超表面4由附著在介質(zhì)板41上沿x，y軸二維周期排布的p1×p2個電磁超表面單元42組成，p1為17，p2為18，排布間隔距離p為10mm，電磁超表面單元42是邊長為8mm的正四邊形，介質(zhì)板41的相對介電常數(shù)εr為2.65，厚度t為1.5mm。通過對8個天線陣元3饋以等幅固定相差為-45deg的信號，可實(shí)現(xiàn)模態(tài)為1的軌道角動量電磁渦旋波。圖4中的橫坐標(biāo)為方向角度(單位為deg)，縱坐標(biāo)為增益(單位為db)，圖4中的曲線為實(shí)現(xiàn)1模態(tài)軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4前后的遠(yuǎn)場輻射增益隨著方向角度的變化曲線。曲線d1為實(shí)現(xiàn)1模態(tài)軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4前的遠(yuǎn)場輻射增益隨著方向角度的變化曲線，曲線d1c為實(shí)現(xiàn)1模態(tài)軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4后的遠(yuǎn)場輻射增益隨著方向角度的變化曲線。陣列天線的主波束方向?yàn)榉较蚪嵌壬系淖畲笤鲆?。?shí)現(xiàn)1模態(tài)軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4后相對于放置單層電磁超表面4前的主波束增益提高了11db，波束中心空域面積縮小，即可實(shí)現(xiàn)模態(tài)為1的軌道角動量渦旋電磁波遠(yuǎn)距離傳輸。

參照附圖5，對本發(fā)明實(shí)施例2放置單層電磁超表面4前后的近場平面上的相位分布圖作進(jìn)一步的描述。

本發(fā)明中實(shí)施例2的高增益軌道角動量陣列天線整體結(jié)構(gòu)示意圖與圖1相同，介質(zhì)基板1和金屬地板2的形狀為正4邊形，介質(zhì)基板1的相對介電常數(shù)εr為2.65，厚度h為0.8mm，天線陣元3的形狀為圓形，n為8，8個天線陣元3沿半徑r為60mm的圓周均勻等間隔排布組成陣列天線，陣列天線的工作頻率為10ghz，相應(yīng)的波長λ為30mm，單層電磁超表面4設(shè)置于金屬地板2的上方，兩者之間的距離為16.3mm，單層電磁超表面4由附著在介質(zhì)板41上沿x，y軸二維周期排布的p1×p2個電磁超表面單元42組成，p1為17，p2為18，排布間隔距離p為10mm，電磁超表面單元42是邊長為8mm的正四邊形，介質(zhì)板41的相對介電常數(shù)εr為2.65，厚度t為1.5mm。通過對8個天線陣元3饋以等幅固定相差為-45deg的信號，可實(shí)現(xiàn)模態(tài)為1的軌道角動量電磁渦旋波。圖5中的橫坐標(biāo)是近場平面二維坐標(biāo)中的一維坐標(biāo)(單位為mm)，縱坐標(biāo)是近場平面二維坐標(biāo)中的另一維坐標(biāo)(單位為mm)，右側(cè)的顏色深淺代表相位值(deg)，近場平面為距離陣列天線法向17λ處尺寸為17λ×17λ的二維平面，圖5中的平面二維圖為實(shí)現(xiàn)1模態(tài)軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4前后的螺旋波前相位在近場平面上的二維分布。p1標(biāo)記的平面二維圖為實(shí)現(xiàn)1模態(tài)軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4前的螺旋波前相位在近場平面上的二維分布，p1c標(biāo)記的平面二維圖為實(shí)現(xiàn)1模態(tài)軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4后的螺旋波前相位在近場平面上的二維分布。陣列天線放置單層電磁超表面4前后的近場平面上的相位分布圖均能實(shí)現(xiàn)明顯的模態(tài)為1的軌道角動量渦旋電磁波特性，即單層電磁超表面4放置于陣列天線上可以在提高模態(tài)為1的軌道角動量主波束增益的同時保持軌道角動量電磁渦旋波的相位特性，從而保證遠(yuǎn)距離傳輸?shù)耐ㄐ刨|(zhì)量。

參照附圖6，對本發(fā)明的實(shí)施例3放置單層電磁超表面4前后的遠(yuǎn)場輻射方向圖作進(jìn)一步的描述。

本發(fā)明中實(shí)施例3的高增益軌道角動量陣列天線整體結(jié)構(gòu)示意圖與圖1相同，介質(zhì)基板1和金屬地板2的形狀為正4邊形，介質(zhì)基板1的相對介電常數(shù)εr為2.65，厚度h為0.8mm，天線陣元3的形狀為圓形，n為8，8個天線陣元3沿半徑r為60mm的圓周均勻等間隔排布組成陣列天線，陣列天線的工作頻率為10ghz，相應(yīng)的波長λ為30mm，單層電磁超表面4設(shè)置于金屬地板2的上方，兩者之間的距離為16.5mm，單層電磁超表面4由附著在介質(zhì)板41上沿x，y軸二維周期排布的p1×p2個電磁超表面單元42組成，p1為17，p2為18，排布間隔距離p為10mm，電磁超表面單元42是邊長為8mm的正四邊形，介質(zhì)板41的相對介電常數(shù)εr為2.65，厚度t為1.5mm。通過對8個天線陣元3饋以等幅固定相差為-90deg的信號，可實(shí)現(xiàn)模態(tài)為2的軌道角動量電磁渦旋波。圖6中的橫坐標(biāo)為方向角度(單位為deg)，縱坐標(biāo)為增益(單位為db)，圖6中的曲線為實(shí)現(xiàn)2模態(tài)軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4前后的遠(yuǎn)場輻射增益隨著方向角度的變化曲線。曲線d2為實(shí)現(xiàn)2模態(tài)軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4前的遠(yuǎn)場輻射增益隨著方向角度的變化曲線，曲線d2c為實(shí)現(xiàn)2模態(tài)軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4后的遠(yuǎn)場輻射增益隨著方向角度的變化曲線。陣列天線的主波束方向?yàn)榉较蚪嵌壬系淖畲笤鲆?。?shí)現(xiàn)2模態(tài)軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4后相對于放置單層電磁超表面4前的主波束增益提高了8.7db，波束中心空域面積縮小，即可實(shí)現(xiàn)模態(tài)為2的軌道角動量渦旋電磁波遠(yuǎn)距離傳輸。

參照附圖7，對本發(fā)明實(shí)施例3放置單層電磁超表面4前后的近場平面上的相位分布圖作進(jìn)一步的描述。

本發(fā)明中實(shí)施例3的高增益軌道角動量陣列天線整體結(jié)構(gòu)示意圖與圖1相同，介質(zhì)基板1和金屬地板2的形狀為正4邊形，介質(zhì)基板1的相對介電常數(shù)εr為2.65，厚度h為0.8mm，天線陣元3的形狀為圓形，n為8，8個天線陣元3沿半徑r為60mm的圓周均勻等間隔排布組成陣列天線，陣列天線的工作頻率為10ghz，相應(yīng)的波長λ為30mm，單層電磁超表面4設(shè)置于金屬地板2的上方，兩者之間的距離為16.5mm，單層電磁超表面4由附著在介質(zhì)板41上沿x，y軸二維周期排布的p1×p2個電磁超表面單元42組成，p1為17，p2為18，排布間隔距離p為10mm，電磁超表面單元42是邊長為8mm的正四邊形，介質(zhì)板41的相對介電常數(shù)εr為2.65，厚度t為1.5mm。通過對8個天線陣元3饋以等幅固定相差為-90deg的信號，可實(shí)現(xiàn)模態(tài)為2的軌道角動量電磁渦旋波。圖7中的橫坐標(biāo)是近場平面二維坐標(biāo)中的一維坐標(biāo)(單位為mm)，縱坐標(biāo)是近場平面二維坐標(biāo)中的另一維坐標(biāo)(單位為mm)，右側(cè)的顏色深淺代表相位值(deg)，近場平面為距離陣列天線法向17λ處尺寸為17λ×17λ的二維平面，圖7中的平面二維圖為實(shí)現(xiàn)2模態(tài)軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4前后的螺旋波前相位在近場平面上的二維分布。p2標(biāo)記的平面二維圖為實(shí)現(xiàn)2模態(tài)軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4前的螺旋波前相位在近場平面上的二維分布，p2c標(biāo)記的平面二維圖為實(shí)現(xiàn)2模態(tài)軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4后的螺旋波前相位在近場平面上的二維分布。陣列天線放置單層電磁超表面4前后的近場平面上的相位分布圖均能實(shí)現(xiàn)明顯的模態(tài)為2的軌道角動量渦旋電磁波特性，即單層電磁超表面4放置于陣列天線上可以在提高模態(tài)為2的軌道角動量主波束增益的同時保持軌道角動量電磁渦旋波的相位特性，從而保證遠(yuǎn)距離傳輸?shù)耐ㄐ刨|(zhì)量。

參照附圖8，對本發(fā)明實(shí)施例4放置單層電磁超表面4前后的遠(yuǎn)場輻射方向圖作進(jìn)一步的描述。

本發(fā)明中實(shí)施例4的高增益軌道角動量陣列天線整體結(jié)構(gòu)示意圖與圖1相同，介質(zhì)基板1和金屬地板2的形狀為正4邊形，介質(zhì)基板1的相對介電常數(shù)εr為2.65，厚度h為0.8mm，天線陣元3的形狀為圓形，n為8，8個天線陣元3沿半徑r為60mm的圓周均勻等間隔排布組成陣列天線，陣列天線的工作頻率為10ghz，相應(yīng)的波長λ為30mm，單層電磁超表面4設(shè)置于金屬地板2的上方，兩者之間的距離為16.9mm，單層電磁超表面4由附著在介質(zhì)板41上沿x，y軸二維周期排布的p1×p2個電磁超表面單元42組成，p1為17，p2為18，排布間隔距離p為10mm，電磁超表面單元42是邊長為8mm的正四邊形，介質(zhì)板41的相對介電常數(shù)εr為2.65，厚度t為1.5mm。通過對8個天線陣元3饋以等幅固定相差為-135deg的信號，可實(shí)現(xiàn)模態(tài)為3的軌道角動量電磁渦旋波。圖8中的橫坐標(biāo)為方向角度(單位為deg)，縱坐標(biāo)為增益(單位為db)，圖8中的曲線為實(shí)現(xiàn)3模態(tài)軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4前后的遠(yuǎn)場輻射增益隨著方向角度的變化曲線。曲線d3為實(shí)現(xiàn)3模態(tài)軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4前的遠(yuǎn)場輻射增益隨著方向角度的變化曲線，曲線d3c為實(shí)現(xiàn)0模態(tài)軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4后的遠(yuǎn)場輻射增益隨著方向角度的變化曲線。陣列天線的主波束方向?yàn)榉较蚪嵌壬系淖畲笤鲆妗?shí)現(xiàn)3模態(tài)軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4后相對于放置單層電磁超表面4前的主波束增益提高了7db，波束中心空域面積縮小，即可實(shí)現(xiàn)模態(tài)為3的軌道角動量渦旋電磁波遠(yuǎn)距離傳輸。

參照附圖9，對本發(fā)明的實(shí)施例4放置單層電磁超表面4前后的近場平面上的相位分布圖作進(jìn)一步的描述。

本發(fā)明中實(shí)施例4的高增益軌道角動量陣列天線整體結(jié)構(gòu)示意圖與圖1相同，介質(zhì)基板1和金屬地板2的形狀為正4邊形，介質(zhì)基板1的相對介電常數(shù)εr為2.65，厚度h為0.8mm，天線陣元3的形狀為圓形，n為8，8個天線陣元3沿半徑r為60mm的圓周均勻等間隔排布組成陣列天線，陣列天線的工作頻率為10ghz，相應(yīng)的波長λ為30mm，單層電磁超表面4設(shè)置于金屬地板2的上方，兩者之間的距離為16.9mm，單層電磁超表面4由附著在介質(zhì)板41上沿x，y軸二維周期排布的p1×p2個電磁超表面單元42組成，p1為17，p2為18，排布間隔距離p為10mm，電磁超表面單元42是邊長為8mm的正四邊形，介質(zhì)板41的相對介電常數(shù)εr為2.65，厚度t為1.5mm。通過對8個天線陣元3饋以等幅固定相差為-135deg的信號，可實(shí)現(xiàn)模態(tài)為3的軌道角動量電磁渦旋波。圖9中的橫坐標(biāo)是近場平面二維坐標(biāo)中的一維坐標(biāo)(單位為mm)，縱坐標(biāo)是近場平面二維坐標(biāo)中的另一維坐標(biāo)(單位為mm)，右側(cè)的顏色深淺代表相位值(deg)，近場平面為距離陣列天線法向17λ處尺寸為17λ×17λ的二維平面，圖9中的平面二維圖為實(shí)現(xiàn)3模態(tài)軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4前后的螺旋波前相位在近場平面上的二維分布。p3標(biāo)記的平面二維圖為實(shí)現(xiàn)3模態(tài)軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4前的螺旋波前相位在近場平面上的二維分布，p3c標(biāo)記的平面二維圖為實(shí)現(xiàn)3模態(tài)軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4后的螺旋波前相位在近場平面上的二維分布。陣列天線放置單層電磁超表面4前后的近場平面上的相位分布圖均能實(shí)現(xiàn)明顯的模態(tài)為3的軌道角動量渦旋電磁波特性，即單層電磁超表面4放置于陣列天線上可以在提高模態(tài)為3的軌道角動量主波束增益的同時保持軌道角動量電磁渦旋波的相位特性，從而保證遠(yuǎn)距離傳輸?shù)耐ㄐ刨|(zhì)量。

綜上所述，本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)四種模態(tài)的高增益角動量電磁渦旋波。在工作頻率10ghz處，圓環(huán)形天線陣放置單層電磁超表面4前的遠(yuǎn)場輻射方向圖隨著角動量電磁渦旋波模態(tài)數(shù)的增加，波前光強(qiáng)為0的奇點(diǎn)區(qū)域面積增大，方向圖逐漸發(fā)散，不適應(yīng)于遠(yuǎn)距離傳輸角動量電磁渦旋波。在工作頻率10ghz處，圓環(huán)形天線陣放置單層電磁超表面4后的遠(yuǎn)場輻射方向圖相對于未放置單層電磁超表面4的遠(yuǎn)場輻射方向圖，在保持相同的軌道角動量角動量電磁渦旋波模態(tài)下，極大的縮減了波前光強(qiáng)為0的奇點(diǎn)區(qū)域面積，主波束向圓環(huán)形天線陣的輻射方向中軸線聚攏，大幅提升了主波束增益，從而解決了高階模態(tài)軌道角動量渦旋電磁波發(fā)射效率低、軌道角動量波束畸變、通信質(zhì)量下降，無法實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的高效多通道傳輸，以及加工精度要求高，加工成本昂貴，工程實(shí)現(xiàn)性差等問題。

以上是本發(fā)明的四種具體模態(tài)的高增益軌道角動量渦旋電磁波，并不構(gòu)成對本發(fā)明的任何限制。