超薄轨道角动量螺旋相位板天线及其设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种超薄轨道角动量螺旋相位板天线，该天线由若干螺旋相位板天线单元进行横向和竖向排列组合而成，每个螺旋相位板天线单元由上下两个天线子单元堆叠而成，每个天线子子单元包括第一介质基板和第二介质基板，第一介质基板的上表面和第二介质基板的下表面上都设有金属缝隙结构，第一介质基板的下表面和第二介质基板的上表面之间设有光子带隙结构。另外，本发明还公开了一种超薄轨道角动量螺旋相位板天线的设计方法。本发明能在最小化厚度的同时保持天线良好的性能，且灵活方便，避开了普通螺旋相位板天线厚度大，结构笨重的缺点。
【专利说明】
超薄轨道角动量螺旋相位板天线及其设计方法
技术领域
[0001] 本发明设及天线技术领域，尤其设及一种超薄轨道角动量螺旋相位板天线及其设 计方法。
【背景技术】
[0002] 快速发展的现代通信系统在给人们的生活带来了更多的便利的同时，也因为频谱 资源日趋紧张面临着严峻的挑战。如何更合理的利用频谱资源，提高频谱利用率和编码效 率，成为当今无线通信领域的一个研究热点。不同阶数的OAM波束之间相互正交，运一特性 允许OAM波束沿着轴向复用和解复用。因此，可W建立一个完备的视距传输链路，在同一频 带下每一个OAM波束可W携带一组数据，从而通信容量和频谱利用率增大为原来的N倍，N为 链路中使用的OAM状态数。
[0003] 螺旋相位板天线是一种产生携带轨道角动量的电磁波波束的常见方法，在微波、 毫米波和光波段都得到了广泛的应用。迄今为止，已有多种基于不同原理的旋转相位板被 报道，其中包括平滑螺旋相位板和阶梯螺旋相位板，运种结构是通过控制介质的厚度来改 变透射波的相位，从而实现对相位的调制来产生满旋波束;钻孔平板旋转相位板是通过在 介质板上钻孔，改变局部的等效介电常数，从而控制不同位置的相位延迟来产生满旋波束； 光频段的超表面是通过旋转排布不同的型天线来产生旋转相位;尽管运些结构的原理不尽 相同，但都是对入射波束的相位进行空间调制产生满旋波束，让透射波束携带有轨道角动 量。然而上述螺旋相位板的厚度通常要大于半波长，因此结构在微波段过于笨重，不利于实 际应用。
【发明内容】
[0004] 发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种超薄轨道角动量螺旋相位 板天线及其设计方法，该天线能在最小化厚度的同时保持天线良好的性能，且灵活方便，避 开了普通螺旋相位板天线厚度大，结构笨重的缺点。
[0005] 技术方案:本发明所述的超薄轨道角动量螺旋相位板天线，由若干螺旋相位板天 线单元进行横向和竖向排列组合而成，每个螺旋相位板天线单元由上下两个天线子单元堆 叠而成，每个天线子子单元包括第一介质基板和第二介质基板，第一介质基板的上表面和 第二介质基板的下表面上都设有金属缝隙结构，第一介质基板的下表面和第二介质基板的 上表面之间设有光子带隙结构。
[0006] 进一步的，所述金属缝隙结构具体为方形。
[0007] 进一步的，所述螺旋相位板天线单元的补偿相位钱PP由其所在的位置决定，具体关 系式为：
[000引
[0009] 式中，x、y分别为螺旋相位板天线单元的横坐标和纵坐标，I为轨道角动量的阶数， 入为自由空间波长，f为焦距。
[0010] 进一步的，所述金属缝隙结构的长度由螺旋相位板天线单元的补偿相位决定，具 体关系式为：
[0011]
[0012] 式中，Dx为金属缝隙结构长度，Phi为螺旋相位板天线单元的补偿相位。
[0013] 进一步的，所述光子带隙结构的尺寸由金属缝隙结构的长度决定，具体关系式为：
[0014]
[001引式中，WC、LL分别为光子带隙结构的宽度和长度，Dx为金属缝隙结构长度。
[0016] 本发明所述的超薄轨道角动量螺旋相位板天线的设计方法，包括步骤：
[0017] S1、使用电磁仿真软件仿真天线子单元，其中，所述天线子单元包括第一介质基板 和第二介质基板，第一介质基板的上表面和第二介质基板的下表面上都设有金属缝隙结 构，第一介质基板的下表面和第二介质基板的上表面之间设有光子带隙结构；
[0018] S2、通过对螺旋相位板天线单元参数扫描，得到光子带隙结构尺寸与金属缝隙结 构长度之间的关系式Fl，再根据该关系式Fl调整光子带隙结构尺寸，从而在给定的频带内 得到平坦的透射幅度和最大的相位变化；
[0019] S3、将两个天线子单元堆叠在一起形成螺旋相位板天线单元，并通过曲线拟合得 到螺旋相位板天线单元的传输相位与金属缝隙结构长度之间的关系式F2;
[0020] S4、将若干个对螺旋相位板天线单元进行横向和竖向排列组合，形成螺旋相位板 天线；
[0021] S5、根据每个螺旋相位板天线单元的位置计算得到其对应的补偿相位，并将补偿 相位作为关系式F2的传输相位，计算得到对应的金属缝隙结构长度；
[0022] S6、根据计算得到的金属缝隙结构长度采用关系式Fl计算得到光子带隙结构尺 寸；
[0023] S7、按照计算得到的每个螺旋相位板天线单元的金属缝隙结构长度和光子带隙结 构尺寸进行设计，得到最终的螺旋相位板天线。
[0024] 进一步的，所述金属缝隙结构具体为方形。
[0025] 进一步的，所述关系式Fl具体为：
[0026] WC = 0.4*Dx+3.2
[0027] 化=0.巧 Dx+1.2
[002引式中，WC、LL分别为光子带隙结构的宽度和长度，Dx为金属缝隙结构长度。
[0029]进一步的，所述关系式F2具体为：
[0030] Dx = 4-l.l*cos(I%i*0.012)-0.6*sin(Phi*0.012)
[0031] 式中，Dx为金属缝隙结构长度，Phi为螺旋相位板天线单元的传输相位。
[0032] 进一步的，每个螺旋相位板天线单元的补偿相位口SPP根据W下公式计算得到：
[0033]
[0034] 式中，x、y分别为螺旋相位板天线单元的横坐标和纵坐标，1为轨道角动量的阶数， 入为自由空间波长，f为焦距。
[0035] 有益效果:本发明与现有技术相比，其显著优点是:本发明提出了一种超薄轨道角 动量螺旋相位板天线，该天线是基于传输阵列技术设计的，由多个单元构成，通过调整金属 缝隙的长度实现对波束相位的精确调控，不同位置的入射波相位不同，对应调控的单尺寸 就不同，而且本发明首次在螺旋相位板天线设计中引入超薄结构，厚度仅为自由空间波长 的十五分之一，厚度小至2mm，并且能够在实现360°相移的同时保持相当小传输损耗，在理 论和工程中可广泛应用。
【附图说明】
[0036] 图1是本实施例的结构示意图；
[0037] 图2是图1中螺旋相位板天线单元的结构示意图；
[0038] 图3是单元传输幅度和相位随化变化曲线图；
[0039] 图4是螺旋相位板天线远场福射方向图。
【具体实施方式】
[0040] 如图1所示，本实施例的超薄轨道角动量螺旋相位板天线由若干螺旋相位板天线 单元进行横向和竖向按照准周期方式排列而成，图中，一个方格为一个单元。如图2所示，每 个螺旋相位板天线单元由上下两个天线子单元堆叠而成，每个天线子子单元包括第一介质 基板和第二介质基板，第一介质基板的上表面和第二介质基板的下表面上都设有金属缝隙 结构，具体为方形，第一介质基板的下表面和第二介质基板的上表面之间设有光子带隙结 构。
[0041] 其中，螺旋相位板天线单元的补偿相位钱PP由其所在的位置决定，具体关系式为：
[0042]
[0043] 式中，x、y分别为螺旋相位板天线单元的横坐标和纵坐标，1为轨道角动量的阶数， 入为自由空间波长，f为焦距。
[0044] 其中，金属缝隙结构的长度由螺旋相位板天线单元的补偿相位决定，具体关系式 为：
[0045] Dx = 4-l.l*cos(I%i*0.012)-0.6*sin(Phi*0.012)
[0046] 式中，Dx为金属缝隙结构长度，Phi为螺旋相位板天线单元的补偿相位。
[0047] 其中，光子带隙结构的尺寸由金属缝隙结构的长度决定，具体关系式为：
[004引
[0049] 式中，WC、LL分别为光子带隙结构的宽度和长度，Dx为金属缝隙结构长度。
[0050] 本实施例的超薄轨道角动量螺旋相位板天线的设计方法，包括步骤：
[0051] S1、使用电磁仿真软件CST MWS仿真天线子单元，其中，天线子单元包括第一介质 基板和第二介质基板，第一介质基板的上表面和第二介质基板的下表面上都设有方形金属 缝隙结构，第一介质基板的下表面和第二介质基板的上表面之间设有光子带隙结构。
[0052] S2、通过对螺旋相位板天线单元参数扫描，得到光子带隙结构尺寸与金属缝隙结 构长度之间的关系式Fl，再根据该关系式Fl调整光子带隙结构尺寸，从而在给定的频带内 得到平坦的透射幅度和最大的相位变化。
[0053] 其中，关系式Fl具体为：
[0054] WC = 0.4*Dx+3.2
[0055] 化=0.巧 Dx+1.2
[0056] 式中，WC、LL分别为光子带隙结构的宽度和长度，Dx为金属缝隙结构长度。
[0057] 在给定的频带内得到平坦的透射幅度和最大的相位变化具体步骤是:取一组不同 大小的方环缝隙参数Dx,通过调整每一个Dx值对应的光子带隙参数WC和化的大小来获得平 坦的透射幅度，最大的相位变化。运种设计方法的优势在于只需要变化一个单元参数的尺 寸，就可W获得连续变化的传输相位，从而减小了设计和加工的复杂度。
[0058] S3、将两个天线子单元堆叠在一起形成螺旋相位板天线单元，并通过曲线拟合得 到螺旋相位板天线单元的传输相位与金属缝隙结构长度之间的关系式F2为：
[0059] Dx = 4-l.l*cos(I%i*0.012)-0.6*sin(Phi*0.012)
[0060] 式中，Dx为金属缝隙结构长度，Phi为螺旋相位板天线单元的传输相位。
[0061] 得到关系式F2的具体步骤为:设计天线中屯、工作频率为lOGHz，在该频率值下，从 CST中导出单元传输相位数据和Dx数据，利用Matlab软件中的曲线拟合工具对数据进行拟 合，得到传输相位化i与变量Dx的关系式。
[0062] 将两个天线子单元堆叠在一起的原因是:天线子单元两层金属缝隙结构得到的1- 地幅度带宽对应的相移范围小于360°。为了在1-地幅度带宽下得到360°相移，通常需要4个 谐振，由于天线子单元只能产生3个谐振点，因此难W实现360°传输相移。故而将两层天线 子单元堆叠在一起构成螺旋相位板天线单元，可W产生四个谐振频点，从而实现了360°相 移。
[0063] S4、将若干个对螺旋相位板天线单元进行横向和竖向排列组合，形成螺旋相位板 天线。
[0064] S5、根据每个螺旋相位板天线单元的位置计算得到其对应的补偿相位，并将补偿 相位作为关系式F2的传输相位，计算得到对应的金属缝隙结构长度。
[0065] 其中，每个螺旋相位板天线单元的补偿相位转PP根据W下公式计算得到：
[0066]
[0067] 式中，x、y分别为螺旋相位板天线单元的横坐标和纵坐标，1为轨道角动量的阶数， 入为自由空间波长，f为焦距。
[0068] S6、根据计算得到的金属缝隙结构长度采用关系式Fl计算得到光子带隙结构尺 寸。
[0069] S7、按照计算得到的每个螺旋相位板天线单元的金属缝隙结构长度和光子带隙结 构尺寸进行设计，得到最终的螺旋相位板天线。
[0070] 为了对本实施例进行验证，将一个X波段的波纹圆锥卿趴天线放置在离天线口面 距离F为160mm处对螺旋相位板天线进行馈电，近场电场幅度的中屯、区域存在一个由轨道角 动量波束相位奇点形成的黑桐状的零陷区域，近场电场相位呈螺旋状。波纹圆锥卿趴天线 在焦距处发射球面波，通过此螺旋相位板天线可W产生携带1 = 1阶轨道角动量的电磁波 束，如图2所示，设计的螺旋相位板天线单元结构为：四层0.5mm厚的介质基板，其介电常数 为3.0，金属缝隙结构为厚度为0.035mm的金属贴片，光子带隙厚度为0.035mm，光子带隙大 小为10mm*10mm，光子带隙宽度为0.5mm，金属缝隙外长化为变量。
[0071] 图3是仿真结果，说明了螺旋相位板天线单元的传输幅度和相位随着缝隙外部长 度Dx值的变化关系。由图中可知，螺旋相位板单元的传输幅度损耗均小于1地，运表明单元 的幅度损耗很小，从馈源入射的绝大部分能量可W从提出的螺旋相位板天线透射过去，同 时传输相位范围可W完全覆盖360°，运样就确保了螺旋相位板天线实现高效率和高性能。 图4是提出的超薄轨道角动量螺旋相位板天线远场方向图的实测和仿真结果，方向图中屯、 存在零陷区域，结果表明本发明提出的螺旋相位板天线产生了轨道角动量波束。
[0072] W上所掲露的仅为本发明一种较佳实施例而已，不能W此来限定本发明之权利范 围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
【主权项】
1. 一种超薄轨道角动量螺旋相位板天线，其特征在于：该天线由若干螺旋相位板天线 单元进行横向和竖向排列组合而成，每个螺旋相位板天线单元由上下两个天线子单元堆叠 而成，每个天线子子单元包括第一介质基板和第二介质基板，第一介质基板的上表面和第 二介质基板的下表面上都设有金属缝隙结构，第一介质基板的下表面和第二介质基板的上 表面之间设有光子带隙结构。2. 根据权利要求1所述的超薄轨道角动量螺旋相位板天线，其特征在于:所述金属缝隙 结构具体为方形。3. 根据权利要求1所述的超薄轨道角动量螺旋相位板天线，其特征在于:所述螺旋相位 板天线单元的补偿相位Aw由其所在的位置决定，具体关系式为：式中，x、y分别为螺旋相位板天线单元的横坐标和纵坐标，1为轨道角动量的阶数，λ为 自由空间波长，f为焦距。4. 根据权利要求1所述的超薄轨道角动量螺旋相位板天线，其特征在于:所述金属缝隙 结构的长度由螺旋相位板天线单元的补偿相位决定，具体关系式为： Dx = 4-1. l*cos(陆i*0.012)-0.6*sin(陆i*0.012) 式中，Dx为金属缝隙结构长度，陆i为螺旋相位板天线单元的补偿相位。5. 根据权利要求1所述的超薄轨道角动量螺旋相位板天线，其特征在于:所述光子带隙 结构的尺寸由金属缝隙结构的长度决定，具体关系式为：式中，WC、化分别为光子带隙结构的宽度和长度，Dx为金属缝隙结构长度。6. -种超薄轨道角动量螺旋相位板天线的设计方法，其特征在于:包括步骤： 51、 使用电磁仿真软件仿真天线子单元，其中，所述天线子单元包括第一介质基板和第 二介质基板，第一介质基板的上表面和第二介质基板的下表面上都设有金属缝隙结构，第 一介质基板的下表面和第二介质基板的上表面之间设有光子带隙结构； 52、 通过对螺旋相位板天线单元参数扫描，得到光子带隙结构尺寸与金属缝隙结构长 度之间的关系式F1，再根据该关系式F1调整光子带隙结构尺寸，从而在给定的频带内得到 平坦的透射幅度和最大的相位变化； 53、 将两个天线子单元堆叠在一起形成螺旋相位板天线单元，并通过曲线拟合得到螺 旋相位板天线单元的传输相位与金属缝隙结构长度之间的关系式F2; 54、 将若干个对螺旋相位板天线单元进行横向和竖向排列组合，形成螺旋相位板天线； 55、 根据每个螺旋相位板天线单元的位置计算得到其对应的补偿相位，并将补偿相位 作为关系式F2的传输相位，计算得到对应的金属缝隙结构长度； 56、 根据计算得到的金属缝隙结构长度采用关系式F1计算得到光子带隙结构尺寸； S7、按照计算得到的每个螺旋相位板天线单元的金属缝隙结构长度和光子带隙结构尺 寸进行设计，得到最终的螺旋相位板天线。7. 根据权利要求6所述的超薄轨道角动量螺旋相位板天线的设计方法，其特征在于:所 述金属缝隙结构具体为方形。8. 根据权利要求6所述的超薄轨道角动量螺旋相位板天线的设计方法，其特征在于:所 述关系式F1具体为： WC = 0.4*Dx+3.2 化=0.2 蝴 X+1.2 式中，WC、化分别为光子带隙结构的宽度和长度，Dx为金属缝隙结构长度。9. 根据权利要求6所述的超薄轨道角动量螺旋相位板天线的设计方法，其特征在于:所 述关系式F2具体为： Dx = 4-l.l*cos(陆 i*0.012)-0.6*sin(陆 i*0.012) 式中，Dx为金属缝隙结构长度，Phi为螺旋相位板天线单元的传输相位。10. 根据权利要求6所述的超薄轨道角动量螺旋相位板天线的设计方法，其特征在于： 每个螺旋相位板天线单元的补偿相位&PP根据W下公式计算得到：式中，x、y分别为螺旋相位板天线单元的横坐标和纵坐标，1为轨道角动量的阶数，λ为 自由空间波长，f为焦距。
【文档编号】H01Q3/30GK105977630SQ201610561695
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年7月15日
【发明人】崔铁军, 师传波, 李允博, 吴伟
【申请人】东南大学