[發(fā)明專利]一種渦旋型的多層超表面陣列天線

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910266622.1
• 申請日: 2019-04-03
• 公開（公告）號: CN109888510B
• 公開（公告）日: 2021-08-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐弼軍;孫志超;閆夢瑤;童鑫
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江科技學(xué)院
• 主分類號: H01Q21/06
• 分類號: H01Q21/06;H01Q21/22;H01Q1/38;H01P1/18
• 代理公司: 杭州萬合知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 33294
• 代理人: 丁海華

本發(fā)明公開了一種渦旋型的多層超表面陣列天線，該陣列天線由兩個(gè)以上移相單元排列組成的陣列相位板；所述移相單元包括上下連接的上介質(zhì)層和下介質(zhì)層所述上介質(zhì)層的上表面、上介質(zhì)層與下介質(zhì)層的連接面、下介質(zhì)層的底面均設(shè)有金屬貼片；所述的金屬貼片由外圓環(huán)和內(nèi)圓環(huán)組成；所述的陣列相位板按逆時(shí)針劃分第一象限至第八象限，每個(gè)象限內(nèi)金屬貼片的外圓環(huán)的內(nèi)半徑相同，且外圓環(huán)的內(nèi)半徑隨第一象限至第八象限依次減小。本發(fā)明具有非常優(yōu)越的入射波透射渦旋效果，透射效率可以達(dá)到70％以上，并且具有很好的能量傳輸效率；此外本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，移相單元的單位面積利用率高，而且具有制造工藝簡單、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種渦旋型的多層超表面陣列天線，屬于通信領(lǐng)域。

背景技術(shù)

電磁波的角動(dòng)量包含自旋角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量。軌道角動(dòng)量(OAM)作為物理學(xué)一個(gè)重要物理量，自1992年被Allen等人證實(shí)后迅速推動(dòng)了非線性光學(xué)、量子光學(xué)、原子光學(xué)和天文學(xué)等多個(gè)學(xué)科的新發(fā)展。與自旋角動(dòng)量不同，軌道角動(dòng)量與螺旋形相位波前聯(lián)系在一起，理論上可取值無窮且彼此正交。攜帶軌道角動(dòng)量的電磁波與普通平面波不同，它的波束中心強(qiáng)度為零，相位波前呈現(xiàn)螺旋狀的特性，也被稱為渦旋電磁波。渦旋電磁波以模態(tài)數(shù)m來表示其相位波前的旋轉(zhuǎn)程度，理論上渦旋電磁波的模態(tài)數(shù)m有無限多個(gè)，且不同模態(tài)之間具有正交性，利用渦旋電磁波的這一特性，可以極大地提高通信系統(tǒng)的頻譜利用率和通信容量。目前用天線陣列設(shè)計(jì)來產(chǎn)生渦旋波束將是一種比較可行的方法，陣列天線是一類通過調(diào)控各陣列單元輻射強(qiáng)度、相位延遲來進(jìn)行波束掃描的陣列天線，具有探測距離遠(yuǎn)、調(diào)節(jié)速度快等優(yōu)點(diǎn)。中國專利申請公布號CN107706518A公開了一種螺旋形渦旋電磁波天線陣，包括：螺旋形結(jié)構(gòu)的天線陣、天線陣饋電網(wǎng)絡(luò)。其特征主要在于：螺旋形結(jié)構(gòu)的天線陣采用螺旋形結(jié)構(gòu)的介質(zhì)集成波導(dǎo)天線作為天線單元，以單元自身的相位差形成渦旋電磁波。天線饋電網(wǎng)絡(luò)模塊采用三個(gè)一分二功分對螺旋形結(jié)構(gòu)的天線陣進(jìn)行等幅同相饋電。該技術(shù)方案可以通過螺旋結(jié)構(gòu)的單元結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)各個(gè)單元之間的相位差以形成渦旋電磁波，但該技術(shù)方案需要精確的將單元結(jié)構(gòu)排列成螺旋狀，使得其生產(chǎn)制造比較麻煩；而且電磁波波束會(huì)有較大的擴(kuò)散效果，這一擴(kuò)散效果導(dǎo)致了天線波束增益的降低，降低了電磁波的渦旋效果，對與無線通信極為不利。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于，提供一種渦旋型的多層超表面陣列天線。本發(fā)明具有非常優(yōu)越的入射波透射渦旋效果，透射效率可以達(dá)到70％以上，在能量傳輸上具有更大的傳輸效率；此外本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，移相單元的單位面積利用率高，而且具有制造工藝簡單、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下：一種渦旋型的多層超表面陣列天線，該陣列天線由兩個(gè)以上移相單元排列組成的陣列相位板；所述移相單元包括上下連接的上介質(zhì)層和下介質(zhì)層，所述上介質(zhì)層和下介質(zhì)層均為邊長為3mm正方形；所述上介質(zhì)層的上表面、上介質(zhì)層與下介質(zhì)層的連接面、下介質(zhì)層的底面均設(shè)有金屬貼片；所述的金屬貼片由外圓環(huán)和內(nèi)圓環(huán)組成，外圓環(huán)與內(nèi)圓環(huán)的圓心與正方形的中心重合；所述外圓環(huán)的外圓與正方形相切；所述的陣列相位板按逆時(shí)針劃分有第一象限、第二象限、第三象限、第四象限、第五象限、第六象限、第七象限和第八象限，每個(gè)象限內(nèi)金屬貼片的外圓環(huán)的內(nèi)半徑相同，且外圓環(huán)的內(nèi)半徑隨第一象限至第八象限依次減小。

上述的渦旋型的多層超表面陣列天線，所述的陣列天線為正方形，由6×6個(gè)移相單元組成。

前述的渦旋型的多層超表面陣列天線，所述第一象限、第三象限、第五象限和第七象限中的移相單元的數(shù)量相等；所述第二象限、第四象限、第六象限和第八象限中的移相單元的數(shù)量相等。

前述的渦旋型的多層超表面陣列天線，所述第一象限、第三象限、第五象限和第七象限中的移相單元的數(shù)量為6個(gè)；所述第二象限、第四象限、第六象限和第八象限中的移相單元的數(shù)量為3個(gè)。

前述的渦旋型的多層超表面陣列天線，所述第一象限至第八象限中移相單元上的金屬貼片的外圓環(huán)的內(nèi)半徑分別為1.4mm、1.347mm、1.121mm、0.997mm、0.924mm、0.868mm、0.793mm、0.732mm。