一种基于电磁超表面的新型OAM天线

技术领域

本发明属于微波天线领域，具体涉及一种新型OAM天线。

背景技术

携带轨道角动量(OAM,Orbital Angular Momentum)的涡旋波束由于在通信容量和频谱效率方面具有巨大发展前景而引起了人们的广泛关注。研究人员以许多不同的方法探索了涡旋光束的产生。例如圆形阵列、有源衍射光栅、螺旋相位板和螺旋抛物面等。然而，这些方法具有复杂的馈电网络或尺寸过大的问题，不利于未来通信系统小型化、紧凑化的发展。作为一种亚波长人工周期超材料，超表面具有强大的电磁调控能力、简单的馈电结构、低成本和低轮廓等优点，已经成为产生涡旋波束的主流方式。

传统涡旋波束的特征在于波束的相位波前绕波束传播方向旋转前进，且中心存在暗区。由于涡旋波束固有的发散性，暗区的大小会随着传播距离不断增加，使其极易受到传输环境的影响，如大气湍流、雨雾等。涡旋波束空间波前结构被破坏将使不同OAM模式之间的信息传输产生干扰,不仅影响信号的传输距离，而且会造成信号严重失真，使接收端识别困难。针对这一问题，本发明构建了一种涡旋波束的新形态，这种新型的涡旋波束可以保留传统涡旋波束的涡旋性及解决暗区问题。此外，该波束还有增益高的特点，对于OAM在通信系统中的实用化发展具有重要意义。

发明内容

本发明基于以上技术背景提出了一种基于电磁超表面的新型OAM天线，该天线产生的新型涡旋波束既保留传统涡旋波束传播过程中的螺旋相位分布，又能解决波束中心暗区的问题。同时，该天线还具有体积小，结构简单，成本低的优势，对现存通信系统的兼容及未来系统的紧凑化发展具有重要价值。

围绕所要解决的技术问题，本发明采取的技术方案是：

一种新型的OAM天线，包括馈源、介质基板、辐射单元及金属地板，其特征在于：所述馈源为可用作初级馈源的喇叭天线，用以产生涡旋波束所必备的电磁波信号；所述介质基板上方为M×N个尺寸各不相同的金属辐射单元，下方为金属地板；所述馈源辐射的球面波通过空馈的方式照射至天线阵面，阵面上的辐射单元需对电磁波束进行相位补偿，以形成指定方向的波束。

进一步地，所述馈源的馈电方式可为正馈或偏馈，极化方式为线极化。

进一步地，所述介质基板材料通常为低损耗的高频板材，数量无限制。

进一步地，所述的辐射单元为结合了尺寸变化型单元和旋转型单元的混合调相单元。

进一步地，所述的辐射单元通过改变结构以补偿馈源相位中心与单元的相位差。

进一步地，所述的辐射单元存在两种相位补偿方式，(1)仅补偿形成平面波所需相位；(2)既补偿形成平面波所需的相位，又补偿OAM所需的螺旋相位，使得单元相位分布的空间对称性被打破。

进一步地，所述的辐射单元以矩形或三角形周期排布，形成圆形阵列、矩形阵列或其他多边形阵列，可将馈源辐射的电磁波束转换成既携带螺旋相位又不存在暗区的新型涡旋波束。

相比于现有技术，本发明的有益效果：

1.本发明的新型OAM天线具有低剖面、体积小、重量轻、结构简单紧凑等优点，可采用成熟的PCB制造工艺，大幅度降低加工成本，利于工程实现。

2.本发明所涉及的新型OAM天线通过对单元与阵面的设计，在空间相位分布上打破传统涡旋波束电场分布对称性，从而使电磁波束经过超表面反射后在携带OAM信息的同时可弥补传统涡旋波束中心暗区的缺陷。

附图说明

图1本发明实施例中新型OAM天线三维结构示意图。

图2本发明实施例中辐射单元结构示意图。

图3本发明实施例中辐射单元相移和幅度曲线图。

图4传统涡旋波束电场分布示意图。

图5本发明实施例中新型OAM天线俯视图。

图6同口径下传统OAM天线相位和幅度分布图。

图7本发明实施例中新型OAM天线近场相位和幅度分布图。

图8同口径下传统OAM天线和新型OAM天线远场方向图。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和具体实施例对本发明内容作进一步说明。本实施例为一种基于电磁超表面的新型OAM天线，工作频点选取35GHz。

参见图1，一种基于电磁超表面的新型OAM天线，包括馈源1、介质基板2、辐射单元3及金属地板4。所述馈源采用的是线极化角锥喇叭。所述介质基板2上蚀刻有400个矩形结构排布的辐射单元2，以形成超表面，阵面口径D＝80mm。所述馈源以偏馈方式进行馈电，且入射波束和反射波束与超表面中心的夹角均被设置为15°。为确保馈源照射效率，超表面边缘电平下降需在10dB以内，所以馈源相位中心与超表面的垂直距离设置为80mm。所述金属地板4设置在介质基板2的下方。

本实施例中采用的单元结构如图2所示。所述辐射单元3为混合调相单元，由风车贴片及圆环贴片组成，其中风车贴片是以阿基米德螺旋线旋转形成。在极坐标系(r，θ)中，表达式r＝r

图3为上述辐射单元工作在y极化的反射幅度与相位曲线，从图中可看出，单元的反射幅度大于-0.16dB，损耗较小。单元的反射相位在n的变化范围内可达到473.6°且反射相位曲线的线性度较好。这表明单元具备良好的反射特性，有利于提升本发明天线的性能。

图4为传统涡旋波束电场分布示意图。从图中可以发现，取圆上任一点沿

对于本发明天线，馈源的相位中心与超表面单元之间的相位差通过调整辐射单元结构进行补偿。在本实例中，馈源激励的球面波需先转换为平面波再转换成涡旋波。即相应的超表面单元需要先补偿形成平面波所需相位再补偿形成涡旋波所需的相位。具体地，辐射单元补偿相位的过程如下：

1、超表面上各辐射单元补偿形成平面波所需相位使用以下公式计算：

如图1所示，d

2、沿超表面中心X轴方向选取右侧一半辐射单元补偿OAM所需的螺旋相位，从而使反射波束的电场分布呈现不对称性。最终相位分布通过以下公式计算：

其中，l表示OAM的模式编号(i.e.l＝0,±1,±2)；

为阐述本发明的效果，以下结合仿真结果对上述实例作进一步描述：

图6为同口径下传统OAM天线的近场相位和幅度分布图。从图6(a)和图6(b)观察到，传统涡旋波束的相位分布为螺旋状，且波束中心幅度分布存在明显的空心区域。图6为本实例的近场相位和幅度分布图。从图7(a)可以看出反射波束相位分布同样呈现明显的逆时针螺旋相位，且相位范围满足360°。图7(b)则显示出主波束中心幅度分布均匀，且不存在空心区域。由此可知，本实例产生的反射波束为模式l＝-1新型涡旋波束。图8(a)为同口径下传统OAM天线的远场方向图，波束中心显示出明显的空心环状，且仿真增益仅为22.6dBi。图8(b)为新型OAM天线远场方向图，由图可知，主波束中心已无凹陷区域，且仿真增益最大可达到25.24dBi。

综上所述，本发明提出的新型OAM天线与传统OAM天线相比，产生的新型涡旋波束不仅保留了传统涡旋波束传输时的螺旋相位，又解决了波束中心的暗区问题，同时还可以提供更好的辐射性能。因此，本发明为轨道角动量实用化发展奠定了技术基础。

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，只用于对本发明进行具体的描述，使熟悉该项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明内容所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。