超薄軌道角動量螺旋相位板天線及其設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種超薄軌道角動量螺旋相位板天線，該天線由若干螺旋相位板天線單元進行橫向和豎向排列組合而成，每個螺旋相位板天線單元由上下兩個天線子單元堆疊而成，每個天線子子單元包括第一介質(zhì)基板和第二介質(zhì)基板，第一介質(zhì)基板的上表面和第二介質(zhì)基板的下表面上都設(shè)有金屬縫隙結(jié)構(gòu)，第一介質(zhì)基板的下表面和第二介質(zhì)基板的上表面之間設(shè)有光子帶隙結(jié)構(gòu)。另外，本發(fā)明還公開了一種超薄軌道角動量螺旋相位板天線的設(shè)計方法。本發(fā)明能在最小化厚度的同時保持天線良好的性能，且靈活方便，避開了普通螺旋相位板天線厚度大，結(jié)構(gòu)笨重的缺點。
【專利說明】
超薄軌道角動量螺旋相位板天線及其設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及天線技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種超薄軌道角動量螺旋相位板天線及其設(shè) 計方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 快速發(fā)展的現(xiàn)代通信系統(tǒng)在給人們的生活帶來了更多的便利的同時，也因為頻譜 資源日趨緊張面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。如何更合理的利用頻譜資源，提高頻譜利用率和編碼效 率，成為當今無線通信領(lǐng)域的一個研究熱點。不同階數(shù)的OAM波束之間相互正交，運一特性 允許OAM波束沿著軸向復用和解復用。因此，可W建立一個完備的視距傳輸鏈路，在同一頻 帶下每一個OAM波束可W攜帶一組數(shù)據(jù)，從而通信容量和頻譜利用率增大為原來的N倍，N為 鏈路中使用的OAM狀態(tài)數(shù)。
[0003] 螺旋相位板天線是一種產(chǎn)生攜帶軌道角動量的電磁波波束的常見方法，在微波、 毫米波和光波段都得到了廣泛的應(yīng)用。迄今為止，已有多種基于不同原理的旋轉(zhuǎn)相位板被 報道，其中包括平滑螺旋相位板和階梯螺旋相位板，運種結(jié)構(gòu)是通過控制介質(zhì)的厚度來改 變透射波的相位，從而實現(xiàn)對相位的調(diào)制來產(chǎn)生滿旋波束;鉆孔平板旋轉(zhuǎn)相位板是通過在 介質(zhì)板上鉆孔，改變局部的等效介電常數(shù)，從而控制不同位置的相位延遲來產(chǎn)生滿旋波束； 光頻段的超表面是通過旋轉(zhuǎn)排布不同的型天線來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)相位;盡管運些結(jié)構(gòu)的原理不盡 相同，但都是對入射波束的相位進行空間調(diào)制產(chǎn)生滿旋波束，讓透射波束攜帶有軌道角動 量。然而上述螺旋相位板的厚度通常要大于半波長，因此結(jié)構(gòu)在微波段過于笨重，不利于實 際應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 發(fā)明目的：本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種超薄軌道角動量螺旋相位 板天線及其設(shè)計方法，該天線能在最小化厚度的同時保持天線良好的性能，且靈活方便，避 開了普通螺旋相位板天線厚度大，結(jié)構(gòu)笨重的缺點。
[0005] 技術(shù)方案:本發(fā)明所述的超薄軌道角動量螺旋相位板天線，由若干螺旋相位板天 線單元進行橫向和豎向排列組合而成，每個螺旋相位板天線單元由上下兩個天線子單元堆 疊而成，每個天線子子單元包括第一介質(zhì)基板和第二介質(zhì)基板，第一介質(zhì)基板的上表面和 第二介質(zhì)基板的下表面上都設(shè)有金屬縫隙結(jié)構(gòu)，第一介質(zhì)基板的下表面和第二介質(zhì)基板的 上表面之間設(shè)有光子帶隙結(jié)構(gòu)。
[0006] 進一步的，所述金屬縫隙結(jié)構(gòu)具體為方形。
[0007] 進一步的，所述螺旋相位板天線單元的補償相位錢PP由其所在的位置決定，具體關(guān) 系式為：
[000引
[0009] 式中，x、y分別為螺旋相位板天線單元的橫坐標和縱坐標，I為軌道角動量的階數(shù)， 入為自由空間波長，f為焦距。
[0010] 進一步的，所述金屬縫隙結(jié)構(gòu)的長度由螺旋相位板天線單元的補償相位決定，具 體關(guān)系式為：
[0011]
[0012] 式中，Dx為金屬縫隙結(jié)構(gòu)長度，Phi為螺旋相位板天線單元的補償相位。
[0013] 進一步的，所述光子帶隙結(jié)構(gòu)的尺寸由金屬縫隙結(jié)構(gòu)的長度決定，具體關(guān)系式為：
[0014]
[001引式中，WC、LL分別為光子帶隙結(jié)構(gòu)的寬度和長度，Dx為金屬縫隙結(jié)構(gòu)長度。
[0016] 本發(fā)明所述的超薄軌道角動量螺旋相位板天線的設(shè)計方法，包括步驟：
[0017] S1、使用電磁仿真軟件仿真天線子單元，其中，所述天線子單元包括第一介質(zhì)基板 和第二介質(zhì)基板，第一介質(zhì)基板的上表面和第二介質(zhì)基板的下表面上都設(shè)有金屬縫隙結(jié) 構(gòu)，第一介質(zhì)基板的下表面和第二介質(zhì)基板的上表面之間設(shè)有光子帶隙結(jié)構(gòu)；
[0018] S2、通過對螺旋相位板天線單元參數(shù)掃描，得到光子帶隙結(jié)構(gòu)尺寸與金屬縫隙結(jié) 構(gòu)長度之間的關(guān)系式Fl，再根據(jù)該關(guān)系式Fl調(diào)整光子帶隙結(jié)構(gòu)尺寸，從而在給定的頻帶內(nèi) 得到平坦的透射幅度和最大的相位變化；
[0019] S3、將兩個天線子單元堆疊在一起形成螺旋相位板天線單元，并通過曲線擬合得 到螺旋相位板天線單元的傳輸相位與金屬縫隙結(jié)構(gòu)長度之間的關(guān)系式F2;
[0020] S4、將若干個對螺旋相位板天線單元進行橫向和豎向排列組合，形成螺旋相位板 天線；
[0021] S5、根據(jù)每個螺旋相位板天線單元的位置計算得到其對應(yīng)的補償相位，并將補償 相位作為關(guān)系式F2的傳輸相位，計算得到對應(yīng)的金屬縫隙結(jié)構(gòu)長度；
[0022] S6、根據(jù)計算得到的金屬縫隙結(jié)構(gòu)長度采用關(guān)系式Fl計算得到光子帶隙結(jié)構(gòu)尺 寸；
[0023] S7、按照計算得到的每個螺旋相位板天線單元的金屬縫隙結(jié)構(gòu)長度和光子帶隙結(jié) 構(gòu)尺寸進行設(shè)計，得到最終的螺旋相位板天線。
[0024] 進一步的，所述金屬縫隙結(jié)構(gòu)具體為方形。
[0025] 進一步的，所述關(guān)系式Fl具體為：
[0026] WC = 0.4*Dx+3.2
[0027] 化=0.巧 Dx+1.2
[002引式中，WC、LL分別為光子帶隙結(jié)構(gòu)的寬度和長度，Dx為金屬縫隙結(jié)構(gòu)長度。
[0029]進一步的，所述關(guān)系式F2具體為：
[0030] Dx = 4-l.l*cos(I%i*0.012)-0.6*sin(Phi*0.012)
[0031] 式中，Dx為金屬縫隙結(jié)構(gòu)長度，Phi為螺旋相位板天線單元的傳輸相位。
[0032] 進一步的，每個螺旋相位板天線單元的補償相位口SPP根據(jù)W下公式計算得到：
[0033]
[0034] 式中，x、y分別為螺旋相位板天線單元的橫坐標和縱坐標，1為軌道角動量的階數(shù)， 入為自由空間波長，f為焦距。
[0035] 有益效果:本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點是:本發(fā)明提出了一種超薄軌道角 動量螺旋相位板天線，該天線是基于傳輸陣列技術(shù)設(shè)計的，由多個單元構(gòu)成，通過調(diào)整金屬 縫隙的長度實現(xiàn)對波束相位的精確調(diào)控，不同位置的入射波相位不同，對應(yīng)調(diào)控的單尺寸 就不同，而且本發(fā)明首次在螺旋相位板天線設(shè)計中引入超薄結(jié)構(gòu)，厚度僅為自由空間波長 的十五分之一，厚度小至2mm，并且能夠在實現(xiàn)360°相移的同時保持相當小傳輸損耗，在理 論和工程中可廣泛應(yīng)用。
【附圖說明】
[0036] 圖1是本實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037] 圖2是圖1中螺旋相位板天線單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038] 圖3是單元傳輸幅度和相位隨化變化曲線圖；
[0039] 圖4是螺旋相位板天線遠場福射方向圖。
【具體實施方式】
[0040] 如圖1所示，本實施例的超薄軌道角動量螺旋相位板天線由若干螺旋相位板天線 單元進行橫向和豎向按照準周期方式排列而成，圖中，一個方格為一個單元。如圖2所示，每 個螺旋相位板天線單元由上下兩個天線子單元堆疊而成，每個天線子子單元包括第一介質(zhì) 基板和第二介質(zhì)基板，第一介質(zhì)基板的上表面和第二介質(zhì)基板的下表面上都設(shè)有金屬縫隙 結(jié)構(gòu)，具體為方形，第一介質(zhì)基板的下表面和第二介質(zhì)基板的上表面之間設(shè)有光子帶隙結(jié) 構(gòu)。
[0041] 其中，螺旋相位板天線單元的補償相位錢PP由其所在的位置決定，具體關(guān)系式為：
[0042]
[0043] 式中，x、y分別為螺旋相位板天線單元的橫坐標和縱坐標，1為軌道角動量的階數(shù)， 入為自由空間波長，f為焦距。
[0044] 其中，金屬縫隙結(jié)構(gòu)的長度由螺旋相位板天線單元的補償相位決定，具體關(guān)系式 為：
[0045] Dx = 4-l.l*cos(I%i*0.012)-0.6*sin(Phi*0.012)
[0046] 式中，Dx為金屬縫隙結(jié)構(gòu)長度，Phi為螺旋相位板天線單元的補償相位。
[0047] 其中，光子帶隙結(jié)構(gòu)的尺寸由金屬縫隙結(jié)構(gòu)的長度決定，具體關(guān)系式為：
[004引
[0049] 式中，WC、LL分別為光子帶隙結(jié)構(gòu)的寬度和長度，Dx為金屬縫隙結(jié)構(gòu)長度。
[0050] 本實施例的超薄軌道角動量螺旋相位板天線的設(shè)計方法，包括步驟：
[0051] S1、使用電磁仿真軟件CST MWS仿真天線子單元，其中，天線子單元包括第一介質(zhì) 基板和第二介質(zhì)基板，第一介質(zhì)基板的上表面和第二介質(zhì)基板的下表面上都設(shè)有方形金屬 縫隙結(jié)構(gòu)，第一介質(zhì)基板的下表面和第二介質(zhì)基板的上表面之間設(shè)有光子帶隙結(jié)構(gòu)。
[0052] S2、通過對螺旋相位板天線單元參數(shù)掃描，得到光子帶隙結(jié)構(gòu)尺寸與金屬縫隙結(jié) 構(gòu)長度之間的關(guān)系式Fl，再根據(jù)該關(guān)系式Fl調(diào)整光子帶隙結(jié)構(gòu)尺寸，從而在給定的頻帶內(nèi) 得到平坦的透射幅度和最大的相位變化。
[0053] 其中，關(guān)系式Fl具體為：
[0054] WC = 0.4*Dx+3.2
[0055] 化=0.巧 Dx+1.2
[0056] 式中，WC、LL分別為光子帶隙結(jié)構(gòu)的寬度和長度，Dx為金屬縫隙結(jié)構(gòu)長度。
[0057] 在給定的頻帶內(nèi)得到平坦的透射幅度和最大的相位變化具體步驟是:取一組不同 大小的方環(huán)縫隙參數(shù)Dx,通過調(diào)整每一個Dx值對應(yīng)的光子帶隙參數(shù)WC和化的大小來獲得平 坦的透射幅度，最大的相位變化。運種設(shè)計方法的優(yōu)勢在于只需要變化一個單元參數(shù)的尺 寸，就可W獲得連續(xù)變化的傳輸相位，從而減小了設(shè)計和加工的復雜度。
[0058] S3、將兩個天線子單元堆疊在一起形成螺旋相位板天線單元，并通過曲線擬合得 到螺旋相位板天線單元的傳輸相位與金屬縫隙結(jié)構(gòu)長度之間的關(guān)系式F2為：
[0059] Dx = 4-l.l*cos(I%i*0.012)-0.6*sin(Phi*0.012)
[0060] 式中，Dx為金屬縫隙結(jié)構(gòu)長度，Phi為螺旋相位板天線單元的傳輸相位。
[0061] 得到關(guān)系式F2的具體步驟為:設(shè)計天線中屯、工作頻率為lOGHz，在該頻率值下，從 CST中導出單元傳輸相位數(shù)據(jù)和Dx數(shù)據(jù)，利用Matlab軟件中的曲線擬合工具對數(shù)據(jù)進行擬 合，得到傳輸相位化i與變量Dx的關(guān)系式。
[0062] 將兩個天線子單元堆疊在一起的原因是:天線子單元兩層金屬縫隙結(jié)構(gòu)得到的1- 地幅度帶寬對應(yīng)的相移范圍小于360°。為了在1-地幅度帶寬下得到360°相移，通常需要4個 諧振，由于天線子單元只能產(chǎn)生3個諧振點，因此難W實現(xiàn)360°傳輸相移。故而將兩層天線 子單元堆疊在一起構(gòu)成螺旋相位板天線單元，可W產(chǎn)生四個諧振頻點，從而實現(xiàn)了360°相 移。
[0063] S4、將若干個對螺旋相位板天線單元進行橫向和豎向排列組合，形成螺旋相位板 天線。
[0064] S5、根據(jù)每個螺旋相位板天線單元的位置計算得到其對應(yīng)的補償相位，并將補償 相位作為關(guān)系式F2的傳輸相位，計算得到對應(yīng)的金屬縫隙結(jié)構(gòu)長度。
[0065] 其中，每個螺旋相位板天線單元的補償相位轉(zhuǎn)PP根據(jù)W下公式計算得到：
[0066]
[0067] 式中，x、y分別為螺旋相位板天線單元的橫坐標和縱坐標，1為軌道角動量的階數(shù)， 入為自由空間波長，f為焦距。
[0068] S6、根據(jù)計算得到的金屬縫隙結(jié)構(gòu)長度采用關(guān)系式Fl計算得到光子帶隙結(jié)構(gòu)尺 寸。
[0069] S7、按照計算得到的每個螺旋相位板天線單元的金屬縫隙結(jié)構(gòu)長度和光子帶隙結(jié) 構(gòu)尺寸進行設(shè)計，得到最終的螺旋相位板天線。
[0070] 為了對本實施例進行驗證，將一個X波段的波紋圓錐卿趴天線放置在離天線口面 距離F為160mm處對螺旋相位板天線進行饋電，近場電場幅度的中屯、區(qū)域存在一個由軌道角 動量波束相位奇點形成的黑桐狀的零陷區(qū)域，近場電場相位呈螺旋狀。波紋圓錐卿趴天線 在焦距處發(fā)射球面波，通過此螺旋相位板天線可W產(chǎn)生攜帶1 = 1階軌道角動量的電磁波 束，如圖2所示，設(shè)計的螺旋相位板天線單元結(jié)構(gòu)為：四層0.5mm厚的介質(zhì)基板，其介電常數(shù) 為3.0，金屬縫隙結(jié)構(gòu)為厚度為0.035mm的金屬貼片，光子帶隙厚度為0.035mm，光子帶隙大 小為10mm*10mm，光子帶隙寬度為0.5mm，金屬縫隙外長化為變量。
[0071] 圖3是仿真結(jié)果，說明了螺旋相位板天線單元的傳輸幅度和相位隨著縫隙外部長 度Dx值的變化關(guān)系。由圖中可知，螺旋相位板單元的傳輸幅度損耗均小于1地，運表明單元 的幅度損耗很小，從饋源入射的絕大部分能量可W從提出的螺旋相位板天線透射過去，同 時傳輸相位范圍可W完全覆蓋360°，運樣就確保了螺旋相位板天線實現(xiàn)高效率和高性能。 圖4是提出的超薄軌道角動量螺旋相位板天線遠場方向圖的實測和仿真結(jié)果，方向圖中屯、 存在零陷區(qū)域，結(jié)果表明本發(fā)明提出的螺旋相位板天線產(chǎn)生了軌道角動量波束。
[0072] W上所掲露的僅為本發(fā)明一種較佳實施例而已，不能W此來限定本發(fā)明之權(quán)利范 圍，因此依本發(fā)明權(quán)利要求所作的等同變化，仍屬本發(fā)明所涵蓋的范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種超薄軌道角動量螺旋相位板天線，其特征在于：該天線由若干螺旋相位板天線 單元進行橫向和豎向排列組合而成，每個螺旋相位板天線單元由上下兩個天線子單元堆疊 而成，每個天線子子單元包括第一介質(zhì)基板和第二介質(zhì)基板，第一介質(zhì)基板的上表面和第 二介質(zhì)基板的下表面上都設(shè)有金屬縫隙結(jié)構(gòu)，第一介質(zhì)基板的下表面和第二介質(zhì)基板的上 表面之間設(shè)有光子帶隙結(jié)構(gòu)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超薄軌道角動量螺旋相位板天線，其特征在于:所述金屬縫隙 結(jié)構(gòu)具體為方形。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超薄軌道角動量螺旋相位板天線，其特征在于:所述螺旋相位 板天線單元的補償相位Aw由其所在的位置決定，具體關(guān)系式為：式中，x、y分別為螺旋相位板天線單元的橫坐標和縱坐標，1為軌道角動量的階數(shù)，λ為 自由空間波長，f為焦距。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超薄軌道角動量螺旋相位板天線，其特征在于:所述金屬縫隙 結(jié)構(gòu)的長度由螺旋相位板天線單元的補償相位決定，具體關(guān)系式為： Dx = 4-1. l*cos(陸i*0.012)-0.6*sin(陸i*0.012) 式中，Dx為金屬縫隙結(jié)構(gòu)長度，陸i為螺旋相位板天線單元的補償相位。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超薄軌道角動量螺旋相位板天線，其特征在于:所述光子帶隙 結(jié)構(gòu)的尺寸由金屬縫隙結(jié)構(gòu)的長度決定，具體關(guān)系式為：式中，WC、化分別為光子帶隙結(jié)構(gòu)的寬度和長度，Dx為金屬縫隙結(jié)構(gòu)長度。6. -種超薄軌道角動量螺旋相位板天線的設(shè)計方法，其特征在于:包括步驟： 51、 使用電磁仿真軟件仿真天線子單元，其中，所述天線子單元包括第一介質(zhì)基板和第 二介質(zhì)基板，第一介質(zhì)基板的上表面和第二介質(zhì)基板的下表面上都設(shè)有金屬縫隙結(jié)構(gòu)，第 一介質(zhì)基板的下表面和第二介質(zhì)基板的上表面之間設(shè)有光子帶隙結(jié)構(gòu)； 52、 通過對螺旋相位板天線單元參數(shù)掃描，得到光子帶隙結(jié)構(gòu)尺寸與金屬縫隙結(jié)構(gòu)長 度之間的關(guān)系式F1，再根據(jù)該關(guān)系式F1調(diào)整光子帶隙結(jié)構(gòu)尺寸，從而在給定的頻帶內(nèi)得到 平坦的透射幅度和最大的相位變化； 53、 將兩個天線子單元堆疊在一起形成螺旋相位板天線單元，并通過曲線擬合得到螺 旋相位板天線單元的傳輸相位與金屬縫隙結(jié)構(gòu)長度之間的關(guān)系式F2; 54、 將若干個對螺旋相位板天線單元進行橫向和豎向排列組合，形成螺旋相位板天線； 55、 根據(jù)每個螺旋相位板天線單元的位置計算得到其對應(yīng)的補償相位，并將補償相位 作為關(guān)系式F2的傳輸相位，計算得到對應(yīng)的金屬縫隙結(jié)構(gòu)長度； 56、 根據(jù)計算得到的金屬縫隙結(jié)構(gòu)長度采用關(guān)系式F1計算得到光子帶隙結(jié)構(gòu)尺寸； S7、按照計算得到的每個螺旋相位板天線單元的金屬縫隙結(jié)構(gòu)長度和光子帶隙結(jié)構(gòu)尺 寸進行設(shè)計，得到最終的螺旋相位板天線。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的超薄軌道角動量螺旋相位板天線的設(shè)計方法，其特征在于:所 述金屬縫隙結(jié)構(gòu)具體為方形。8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的超薄軌道角動量螺旋相位板天線的設(shè)計方法，其特征在于:所 述關(guān)系式F1具體為： WC = 0.4*Dx+3.2 化=0.2 蝴 X+1.2 式中，WC、化分別為光子帶隙結(jié)構(gòu)的寬度和長度，Dx為金屬縫隙結(jié)構(gòu)長度。9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的超薄軌道角動量螺旋相位板天線的設(shè)計方法，其特征在于:所 述關(guān)系式F2具體為： Dx = 4-l.l*cos(陸 i*0.012)-0.6*sin(陸 i*0.012) 式中，Dx為金屬縫隙結(jié)構(gòu)長度，Phi為螺旋相位板天線單元的傳輸相位。10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的超薄軌道角動量螺旋相位板天線的設(shè)計方法，其特征在于： 每個螺旋相位板天線單元的補償相位&PP根據(jù)W下公式計算得到：式中，x、y分別為螺旋相位板天線單元的橫坐標和縱坐標，1為軌道角動量的階數(shù)，λ為 自由空間波長，f為焦距。
【文檔編號】H01Q3/30GK105977630SQ201610561695
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月15日
【發(fā)明人】崔鐵軍, 師傳波, 李允博, 吳偉
【申請人】東南大學