超薄軌道角動量螺旋相位板天線及其設計方法
【專利摘要】本發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基板和第二介質基板，第一介質基板的上表面和第二介質基板的下表面上都設有金屬縫隙結構，第一介質基板的下表面和第二介質基板的上表面之間設有光子帶隙結構。另外，本發明還公開了一種超薄軌道角動量螺旋相位板天線的設計方法。本發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，結構笨重的缺點。
【專利說明】
超薄軌道角動量螺旋相位板天線及其設計方法
技術領域
[0001] 本發明設及天線技術領域，尤其設及一種超薄軌道角動量螺旋相位板天線及其設 計方法。
【背景技術】
[0002] 快速發展的現代通信系統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。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域的一個研究熱點。不同階數的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攜帶一組數據，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狀態數。
[0003] 螺旋相位板天線是一種產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用。迄今為止，已有多種基于不同原理的旋轉相位板被 報道，其中包括平滑螺旋相位板和階梯螺旋相位板，運種結構是通過控制介質的厚度來改 變透射波的相位，從而實現對相位的調制來產生滿旋波束;鉆孔平板旋轉相位板是通過在 介質板上鉆孔，改變局部的等效介電常數，從而控制不同位置的相位延遲來產生滿旋波束； 光頻段的超表面是通過旋轉排布不同的型天線來產生旋轉相位;盡管運些結構的原理不盡 相同，但都是對入射波束的相位進行空間調制產生滿旋波束，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，因此結構在微波段過于笨重，不利于實 際應用。
【發明內容】
[0004] 發明目的：本發明針對現有技術存在的問題，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，結構笨重的缺點。
[0005] 技術方案:本發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基板和第二介質基板，第一介質基板的上表面和 第二介質基板的下表面上都設有金屬縫隙結構，第一介質基板的下表面和第二介質基板的 上表面之間設有光子帶隙結構。
[0006] 進一步的，所述金屬縫隙結構具體為方形。
[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 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， 入為自由空間波長，f為焦距。
[0010] 進一步的，所述金屬縫隙結構的長度由螺旋相位板天線單元的補償相位決定，具 體關系式為：
[0011]
[0012] 式中，Dx為金屬縫隙結構長度，Phi為螺旋相位板天線單元的補償相位。
[0013] 進一步的，所述光子帶隙結構的尺寸由金屬縫隙結構的長度決定，具體關系式為：
[0014]
[001引式中，WC、LL分別為光子帶隙結構的寬度和長度，Dx為金屬縫隙結構長度。
[0016] 本發明所述的超薄軌道角動量螺旋相位板天線的設計方法，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基板 和第二介質基板，第一介質基板的上表面和第二介質基板的下表面上都設有金屬縫隙結 構，第一介質基板的下表面和第二介質基板的上表面之間設有光子帶隙結構；
[0018] S2、通過對螺旋相位板天線單元參數掃描，得到光子帶隙結構尺寸與金屬縫隙結 構長度之間的關系式Fl，再根據該關系式Fl調整光子帶隙結構尺寸，從而在給定的頻帶內 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構長度之間的關系式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、根據每個螺旋相位板天線單元的位置計算得到其對應的補償相位，并將補償 相位作為關系式F2的傳輸相位，計算得到對應的金屬縫隙結構長度；
[0022] S6、根據計算得到的金屬縫隙結構長度采用關系式Fl計算得到光子帶隙結構尺 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構長度和光子帶隙結 構尺寸進行設計，得到最終的螺旋相位板天線。
[0024] 進一步的，所述金屬縫隙結構具體為方形。
[0025] 進一步的，所述關系式Fl具體為：
[0026] WC = 0.4*Dx+3.2
[0027] 化=0.巧 Dx+1.2
[002引式中，WC、LL分別為光子帶隙結構的寬度和長度，Dx為金屬縫隙結構長度。
[0029]進一步的，所述關系式F2具體為：
[0030] Dx = 4-l.l*cos(I%i*0.012)-0.6*sin(Phi*0.012)
[0031] 式中，Dx為金屬縫隙結構長度，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， 入為自由空間波長，f為焦距。
[0035] 有益效果:本發明與現有技術相比，其顯著優點是:本發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設計的，由多個單元構成，通過調整金屬 縫隙的長度實現對波束相位的精確調控，不同位置的入射波相位不同，對應調控的單尺寸 就不同，而且本發明首次在螺旋相位板天線設計中引入超薄結構，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用。
【附圖說明】
[0036] 圖1是本實施例的結構示意圖；
[0037] 圖2是圖1中螺旋相位板天線單元的結構示意圖；
[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 基板和第二介質基板，第一介質基板的上表面和第二介質基板的下表面上都設有金屬縫隙 結構，具體為方形，第一介質基板的下表面和第二介質基板的上表面之間設有光子帶隙結 構。
[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， 入為自由空間波長，f為焦距。
[0044] 其中，金屬縫隙結構的長度由螺旋相位板天線單元的補償相位決定，具體關系式 為：
[0045] Dx = 4-l.l*cos(I%i*0.012)-0.6*sin(Phi*0.012)
[0046] 式中，Dx為金屬縫隙結構長度，Phi為螺旋相位板天線單元的補償相位。
[0047] 其中，光子帶隙結構的尺寸由金屬縫隙結構的長度決定，具體關系式為：
[004引
[0049] 式中，WC、LL分別為光子帶隙結構的寬度和長度，Dx為金屬縫隙結構長度。
[0050] 本實施例的超薄軌道角動量螺旋相位板天線的設計方法，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 基板和第二介質基板，第一介質基板的上表面和第二介質基板的下表面上都設有方形金屬 縫隙結構，第一介質基板的下表面和第二介質基板的上表面之間設有光子帶隙結構。
[0052] S2、通過對螺旋相位板天線單元參數掃描，得到光子帶隙結構尺寸與金屬縫隙結 構長度之間的關系式Fl，再根據該關系式Fl調整光子帶隙結構尺寸，從而在給定的頻帶內 得到平坦的透射幅度和最大的相位變化。
[0053] 其中，關系式Fl具體為：
[0054] WC = 0.4*Dx+3.2
[0055] 化=0.巧 Dx+1.2
[0056] 式中，WC、LL分別為光子帶隙結構的寬度和長度，Dx為金屬縫隙結構長度。
[0057] 在給定的頻帶內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 大小的方環縫隙參數Dx,通過調整每一個Dx值對應的光子帶隙參數WC和化的大小來獲得平 坦的透射幅度，最大的相位變化。運種設計方法的優勢在于只需要變化一個單元參數的尺 寸，就可W獲得連續變化的傳輸相位，從而減小了設計和加工的復雜度。
[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構長度之間的關系式F2為：
[0059] Dx = 4-l.l*cos(I%i*0.012)-0.6*sin(Phi*0.012)
[0060] 式中，Dx為金屬縫隙結構長度，Phi為螺旋相位板天線單元的傳輸相位。
[0061] 得到關系式F2的具體步驟為:設計天線中屯、工作頻率為lOGHz，在該頻率值下，從 CST中導出單元傳輸相位數據和Dx數據，利用Matlab軟件中的曲線擬合工具對數據進行擬 合，得到傳輸相位化i與變量Dx的關系式。
[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構得到的1- 地幅度帶寬對應的相移范圍小于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生3個諧振點，因此難W實現360°傳輸相移。故而將兩層天線 子單元堆疊在一起構成螺旋相位板天線單元，可W產生四個諧振頻點，從而實現了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、根據每個螺旋相位板天線單元的位置計算得到其對應的補償相位，并將補償 相位作為關系式F2的傳輸相位，計算得到對應的金屬縫隙結構長度。
[0065] 其中，每個螺旋相位板天線單元的補償相位轉PP根據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， 入為自由空間波長，f為焦距。
[0068] S6、根據計算得到的金屬縫隙結構長度采用關系式Fl計算得到光子帶隙結構尺 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構長度和光子帶隙結 構尺寸進行設計，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域，近場電場相位呈螺旋狀。波紋圓錐卿趴天線 在焦距處發射球面波，通過此螺旋相位板天線可W產生攜帶1 = 1階軌道角動量的電磁波 束，如圖2所示，設計的螺旋相位板天線單元結構為：四層0.5mm厚的介質基板，其介電常數 為3.0，金屬縫隙結構為厚度為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果，方向圖中屯、 存在零陷區域，結果表明本發明提出的螺旋相位板天線產生了軌道角動量波束。
[0072] W上所掲露的僅為本發明一種較佳實施例而已，不能W此來限定本發明之權利范 圍，因此依本發明權利要求所作的等同變化，仍屬本發明所涵蓋的范圍。
【主權項】
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基板和第二介質基板，第一介質基板的上表面和第 二介質基板的下表面上都設有金屬縫隙結構，第一介質基板的下表面和第二介質基板的上 表面之間設有光子帶隙結構。2. 根據權利要求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 結構具體為方形。3. 根據權利要求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，λ為 自由空間波長，f為焦距。4. 根據權利要求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 結構的長度由螺旋相位板天線單元的補償相位決定，具體關系式為： Dx = 4-1. l*cos(陸i*0.012)-0.6*sin(陸i*0.012) 式中，Dx為金屬縫隙結構長度，陸i為螺旋相位板天線單元的補償相位。5. 根據權利要求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 結構的尺寸由金屬縫隙結構的長度決定，具體關系式為：式中，WC、化分別為光子帶隙結構的寬度和長度，Dx為金屬縫隙結構長度。6. -種超薄軌道角動量螺旋相位板天線的設計方法，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基板和第 二介質基板，第一介質基板的上表面和第二介質基板的下表面上都設有金屬縫隙結構，第 一介質基板的下表面和第二介質基板的上表面之間設有光子帶隙結構； 52、 通過對螺旋相位板天線單元參數掃描，得到光子帶隙結構尺寸與金屬縫隙結構長 度之間的關系式F1，再根據該關系式F1調整光子帶隙結構尺寸，從而在給定的頻帶內得到 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構長度之間的關系式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、 根據每個螺旋相位板天線單元的位置計算得到其對應的補償相位，并將補償相位 作為關系式F2的傳輸相位，計算得到對應的金屬縫隙結構長度； 56、 根據計算得到的金屬縫隙結構長度采用關系式F1計算得到光子帶隙結構尺寸； 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構長度和光子帶隙結構尺 寸進行設計，得到最終的螺旋相位板天線。7. 根據權利要求6所述的超薄軌道角動量螺旋相位板天線的設計方法，其特征在于:所 述金屬縫隙結構具體為方形。8. 根據權利要求6所述的超薄軌道角動量螺旋相位板天線的設計方法，其特征在于:所 述關系式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構的寬度和長度，Dx為金屬縫隙結構長度。9. 根據權利要求6所述的超薄軌道角動量螺旋相位板天線的設計方法，其特征在于:所 述關系式F2具體為： Dx = 4-l.l*cos(陸 i*0.012)-0.6*sin(陸 i*0.012) 式中，Dx為金屬縫隙結構長度，Phi為螺旋相位板天線單元的傳輸相位。10. 根據權利要求6所述的超薄軌道角動量螺旋相位板天線的設計方法，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，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
【發明人】崔鐵軍, 師傳波, 李允博, 吳偉
【申請人】東南大學