超薄軌道角動(dòng)量螺旋相位板天線及其設(shè)計(jì)方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種超薄軌道角動(dòng)量螺旋相位板天線，該天線由若干螺旋相位板天線單元進(jìn)行橫向和豎向排列組合而成，每個(gè)螺旋相位板天線單元由上下兩個(gè)天線子單元堆疊而成，每個(gè)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)明專利技術(shù)還公開了一種超薄軌道角動(dòng)量螺旋相位板天線的設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明專利技術(shù)能在最小化厚度的同時(shí)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(diǎn)。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及天線
，尤其涉及一種超薄軌道角動(dòng)量螺旋相位板天線及其設(shè)計(jì)方法。
技術(shù)介紹
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(shí)，也因?yàn)轭l譜資源日趨緊張面臨著嚴(yán)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(dāng)今無線通信領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。不同階數(shù)的OAM波束之間相互正交，這一特性允許OAM波束沿著軸向復(fù)用和解復(fù)用。因此，可以建立一個(gè)完備的視距傳輸鏈路，在同一頻帶下每一個(gè)OAM波束可以攜帶一組數(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)。螺旋相位板天線是一種產(chǎn)生攜帶軌道角動(dòng)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(bào)道，其中包括平滑螺旋相位板和階梯螺旋相位板，這種結(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(shí)現(xiàn)對(duì)相位的調(diào)制來產(chǎn)生渦旋波束；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)生渦旋波束；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；盡管這些結(jié)構(gòu)的原理不盡相同，但都是對(duì)入射波束的相位進(jìn)行空間調(diào)制產(chǎn)生渦旋波束，讓透射波束攜帶有軌道角動(dòng)量。然而上述螺旋相位板的厚度通常要大于半波長(zhǎng)，因此結(jié)構(gòu)在微波段過于笨重，不利于實(shí)際應(yīng)用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
專利技術(shù)目的：本專利技術(shù)針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種超薄軌道角動(dòng)量螺旋相位板天線及其設(shè)計(jì)方法，該天線能在最小化厚度的同時(shí)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(diǎn)。技術(shù)方案：本專利技術(shù)所述的超薄軌道角動(dòng)量螺旋相位板天線，由若干螺旋相位板天線單元進(jìn)行橫向和豎向排列組合而成，每個(gè)螺旋相位板天線單元由上下兩個(gè)天線子單元堆疊而成，每個(gè)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)。進(jìn)一步的，所述金屬縫隙結(jié)構(gòu)具體為方形。進(jìn)一步的，所述螺旋相位板天線單元的補(bǔ)償相位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(biāo)和縱坐標(biāo)，l為軌道角動(dòng)量的階數(shù)，λ為自由空間波長(zhǎng)，f為焦距。進(jìn)一步的，所述金屬縫隙結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度由螺旋相位板天線單元的補(bǔ)償相位決定，具體關(guān)系式為：Dx＝4‐1.1*cos(Phi*0.012)-0.6*sin(Phi*0.012)式中，Dx為金屬縫隙結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，Phi為螺旋相位板天線單元的補(bǔ)償相位。進(jìn)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(zhǎng)度決定，具體關(guān)系式為： W C = 0.4 * D x + 3.2 L L = 0.2 * D x + 1.2 ]]>式中，WC、LL分別為光子帶隙結(jié)構(gòu)的寬度和長(zhǎng)度，Dx為金屬縫隙結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度。本專利技術(shù)所述的超薄軌道角動(dòng)量螺旋相位板天線的設(shè)計(jì)方法，包括步驟：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)；S2、通過對(duì)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(zhǎng)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；S3、將兩個(gè)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(zhǎng)度之間的關(guān)系式F2；S4、將若干個(gè)對(duì)螺旋相位板天線單元進(jìn)行橫向和豎向排列組合，形成螺旋相位板天線；S5、根據(jù)每個(gè)螺旋相位板天線單元的位置計(jì)算得到其對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償相位，并將補(bǔ)償相位作為關(guān)系式F2的傳輸相位，計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的金屬縫隙結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度；S6、根據(jù)計(jì)算得到的金屬縫隙結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度采用關(guān)系式F1計(jì)算得到光子帶隙結(jié)構(gòu)尺寸；S7、按照計(jì)算得到的每個(gè)螺旋相位板天線單元的金屬縫隙結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度和光子帶隙結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到最終的螺旋相位板天線。進(jìn)一步的，所述金屬縫隙結(jié)構(gòu)具體為方形。進(jìn)一步的，所述關(guān)系式F1具體為：WC＝0.4*Dx+3.2LL＝0.2*Dx+1.2式中，WC、LL分別為光子帶隙結(jié)構(gòu)的寬度和長(zhǎng)度，Dx為金屬縫隙結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度。進(jìn)一步的，所述關(guān)系式F2具體為：Dx＝4‐1.1*cos(Phi*0.012)-0.6*sin(Phi*0.012)式中，Dx為金屬縫隙結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，Phi為螺旋相位板天線單元的傳輸相位。進(jìn)一步的，每個(gè)螺旋相位板天線單元的補(bǔ)償相位根據(jù)以下公式計(jì)算得到：式中，x、y分別為螺旋相位板天線單元的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，l為軌道角動(dòng)量的階數(shù)，λ為自由空間波長(zhǎng)，f為焦距。有益效果：本專利技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是：本專利技術(shù)提出了一種超薄軌道角動(dòng)量螺旋相位板天線，該天線是基于傳輸陣列技術(shù)設(shè)計(jì)的，由多個(gè)單元構(gòu)成，通過調(diào)整金屬縫隙的長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)對(duì)波束相位的精確調(diào)控，不同位置的入射波相位不同，對(duì)應(yīng)調(diào)控的單尺寸就不同，而且本專利技術(shù)首次在螺旋相位板天線設(shè)計(jì)中引入超薄結(jié)構(gòu)，厚度僅為自由空間波長(zhǎng)的十五分之一，厚度小至2mm，并且能夠在實(shí)現(xiàn)360°相移的同時(shí)保持相當(dāng)小傳輸損耗，在理論和工程中可廣泛應(yīng)用。附圖說明圖1是本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1中螺旋相位板天線單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是單元傳輸幅度和相位隨Dx變化曲線圖；圖4是螺旋相位板天線遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖。具體實(shí)施方式如圖1所示，本實(shí)施例的超薄軌道角動(dòng)量螺旋相位板天線由若干螺旋相位板天線單元進(jìn)行橫向和豎向按照準(zhǔn)周期方式排列而成，圖中，一個(gè)方格為一個(gè)單元。如圖2所示，每個(gè)螺旋相位板天線單元由上下兩個(gè)天線子單元堆疊而成，每個(gè)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)。其中，螺旋相位板天線單元的補(bǔ)償相位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(biāo)和縱坐標(biāo)，l為軌道角動(dòng)量的階數(shù)，λ為自由空間波長(zhǎng)，f為焦距。其中，金屬縫隙結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度由螺旋相位板天線單元的補(bǔ)償相位決定，具體關(guān)系式為：Dx＝4‐1.1*cos(Phi*0.012)-0.6*sin(Phi*0.012)式中，Dx為金屬縫隙結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，Phi為螺旋相位板天線單元的補(bǔ)償相位。其中，光子帶隙結(jié)構(gòu)的尺寸由金屬縫隙結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度決定，具體關(guān)系式為： 本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種超薄軌道角動(dòng)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(jìn)行橫向和豎向排列組合而成，每個(gè)螺旋相位板天線單元由上下兩個(gè)天線子單元堆疊而成，每個(gè)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)。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種超薄軌道角動(dòng)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(jìn)行橫向和豎向排列組合而成，每個(gè)螺旋相位板天線單元由上下兩個(gè)天線子單元堆疊而成，每個(gè)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(dòng)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(dòng)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(bǔ)償相位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(biāo)和縱坐標(biāo)，l為軌道角動(dòng)量的階數(shù)，λ為自由空間波長(zhǎng)，f為焦距。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超薄軌道角動(dòng)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(zhǎng)度由螺旋相位板天線單元的補(bǔ)償相位決定，具體關(guān)系式為：Dx＝4‐1.1*cos(Phi*0.012)-0.6*sin(Phi*0.012)式中，Dx為金屬縫隙結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，Phi為螺旋相位板天線單元的補(bǔ)償相位。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超薄軌道角動(dòng)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(zhǎng)度決定，具體關(guān)系式為： W C = 0.4 * D x + 3.2 L L = 0.2 * D x + 1.2 ]]>式中，WC、LL分別為光子帶隙結(jié)構(gòu)的寬度和長(zhǎng)度，Dx為金屬縫隙結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度。6.一種超薄軌道角動(dòng)量螺旋相位板天線的設(shè)計(jì)方法，其特征在于：包...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：崔鐵軍，師傳波，李允博，吳偉，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：東南大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：江蘇;32