基于单层电磁超表面的高增益轨道角动量阵列天线的制作方法

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及电磁材料技术领域中的一种利用单层电磁超表面实现天线波束汇聚，提高天线增益的高增益轨道角动量阵列天线。本发明可在通信技术领域的射频和微波波段，实现多种模态轨道角动量涡旋电磁波的高增益发射和传输。

背景技术：

轨道角动量涡旋电磁波是携带有轨道角动量的螺旋电磁波束，不同模式的轨道角动量之间具有正交性，所以在同一工作频率可以传输多种模式的轨道角动量涡旋电磁波，且轨道角动量的模式在理论上可取值无穷，因此利用轨道角动量涡旋电磁波可极大的提升通信频谱利用率，在无线通信领域发挥重大作用。然而，由于传统轨道角动量涡旋电磁波的波前含有光强为0的奇点，并且随着轨道角动量模式阶数的增加，奇点区域面积随之增大，从而造成了轨道角动量涡旋电磁波本身的发散特性，不利于远距离传输。因此减小轨道角动量涡旋电磁波的光强奇点区域面积，实现高阶模式的轨道角动量涡旋波主波束增益提升，有利于解决高阶模式涡旋波不能实现远距离传输的问题。

浙江大学在其申请的专利文献“一种基于相移表面的轨道角动量平面螺旋相位板”(申请号：201510654873.9，公开号：105206900a)中提出了一种可产生1阶模态轨道角动量的平面螺旋相位板。该平面螺旋相位板的由多个尺寸不同的相移单元组成，每个相移单元由多层介质层和金属层组成，介质层和金属层间隔排布。该螺旋相位板以印刷电路板的方式制作，制备工艺简单，成本低，通过调控每个相移单元的相位延迟特性实现了1阶模态的轨道角动量。但是，该高增益轨道角动量阵列天线仍然存在的不足之处是：第一，该螺旋相位板由不同尺寸的相移单元组成，不同尺寸的相移单元对入射电磁波会产生不同程度的反射，该不同程度的反射会导致发射效率低、轨道角动量波束畸变、通信质量下降。第二，该螺旋相位板虽然实现了1阶模态的轨道角动量，但该螺旋相位板产生的角动量涡旋电磁波的模态较低阶，无法实现通信系统的高效多通道传输。第三，该反射阵天线的相移单元包括多层介质板和金属层，介质层和金属层间隔排布的方式较为复杂，对加工精度要求高，加工成本昂贵，工程实现性差。

浙江科技学院在其申请的专利文献“一种基于相位梯度超表面产生微波轨道角动量的阵列天线”(申请号：201610237896.4，公开号：105870604a)中提出了一种基于相位梯度超表面产生微波轨道角动量的反射阵天线。该反射阵天线由不同尺寸的反射型移相单元排列组成，每个反射型移相单元由介质板，金属层和金属管组成。该阵列天线具有优越的反射效果，通过调控每个反射型移相单元的尺寸实现对每个反射型移相单元的相位延迟特性调控，从而实现了1阶模态的轨道角动量。但是，该装置仍然存在的不足之处是：第一，该相位梯度超表面由不同尺寸的移相单元组成，不同尺寸的移相单元会对入射电磁波会产生不同程度的反射，该不同程度的反射会导致发射效率低、轨道角动量波束畸变、通信质量下降。第二，该反射阵天线虽然实现了1阶模态的轨道角动量，但该反射阵天线产生的角动量涡旋电磁波的模态较低阶，无法实现通信系统的高效多通道传输。第三，该移相单元由介质板，金属层和金属管组成，由多个移相单元组成的反射阵天线对加工精度要求高，加工成本昂贵，工程实现性差。

电子科技大学在其申请的专利文献“一种轨道角动量天线”(申请号：201510770352.x，公开号：105322285a)中提出了一种可产生轨道角动量的天线，该天线由抛物型反射面和螺旋天线馈源组成，螺旋天线馈源为带地板的平面螺旋天线，抛物型反射面为标准的旋转抛物面或切割抛物面，螺旋天线作为馈源用于对抛物型反射面进行馈电，螺旋天线馈源的辐射场经过抛物型反射面的反射可得到2阶、-2阶、1阶模态的轨道角动量电磁波。但是，该装置仍然存在的不足之处是：第一，该轨道角动量天线虽然实现了2阶、-2阶、1阶三种模态的轨道角动量，但该轨道角动量天线产生的角动量涡旋电磁波的波前的光强为0的奇点区域面积较大，且随着轨道角动量模式阶数的增加，奇点区域面积随之增大，从而导致发射效率低、轨道角动量波束畸变、通信质量下降。第二，该轨道角动量天线虽然实现了2阶、-2阶、1阶三种模态的轨道角动量，但该轨道角动量天线产生的角动量涡旋电磁波的模态较低阶，无法实现通信系统的高效多通道传输。第三，该抛物型反射面和螺旋天线馈源均为非平面结构，对加工精度要求高，加工成本昂贵，工程实现性差。

综上所述，目前轨道角动量涡旋电磁波的产生装置存在三个问题，其一是，现有的轨道角动量涡旋电磁波的产生装置都有发射效率低、轨道角动量波束畸变、通信质量下降的不足。其二是，现有的轨道角动量涡旋电磁波的产生装置产生的角动量涡旋电磁波的模态较低阶，无法实现通信系统的高效多通道传输。其三是，现有的轨道角动量涡旋电磁波的产生装置对加工精度要求高，加工成本昂贵，工程实现性差。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种利用单层电磁超表面产生高增益轨道角动量涡旋电磁波的装置，通过在圆环形天线阵上方设置单层电磁超表面，并控制单层电磁超表面与圆环形天线阵之间的距离，使得每种轨道角动量涡旋电磁波模态对应的主波束增益提升，缩小对应的波前光强为0的奇点区域面积，解决轨道角动量涡旋电磁波发射效率低、轨道角动量波束畸变、通信质量下降，无法实现通信系统的高效多通道传输等问题。

实现本发明的具体思路是：由n个天线阵元沿着半径为r的圆周均匀等间隔排布组成圆环形天线阵，n个天线阵元被馈入相同幅度的信号,相邻天线阵元之间的固定相位延迟为2l/n，通过控制n个天线阵元的相位分布，分别实现0阶，1阶，2阶，3阶四种模态的轨道角动量涡旋电磁波。在圆环形天线阵上方设置单层电磁超表面。圆环形天线阵发出的电磁波照射到单层电磁超表面上产生多次反射，轨道角动量波束的主波束向圆环形天线阵的辐射方向中轴线聚拢，波前光强为0的奇点区域面积缩小。通过设置单层电磁超表面与圆环形天线阵之间的距离，使每种轨道角动量模态对应的主波束增益提升值最大化，对应的波前光强为0的奇点区域面积最小化，从而解决高阶轨道角动量涡旋电磁波发射效率低、轨道角动量波束畸变、通信质量下降，无法实现通信系统的高效多通道传输，工程实现性差等问题。

为实现上述目的，本发明包括介质基板，金属地板和天线阵元。还包括设置在金属地板2上方的单层电磁超表面4，单层电磁超表面4由附着在介质板41上沿x，y轴二维排布的p1×p2个电磁超表面单元42组成，p1，p2为正整数，排布间隔距离为p。所述介质基板的下表面附着有金属地板，上表面附着有n个天线阵元,n为大于2l的正整数，l表示轨道角动量的模态数。天线阵元通过馈电金属柱与金属地板上的输入端口相连。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明采用在可产生轨道角动量涡旋电磁波的n个天线阵元上方设置单层电磁超表面，轨道角动量涡旋电磁波照射到电磁超表面上产生多次反射，使得轨道角动量波束的主波束向n个天线阵元产生的电磁波辐射方向中心聚拢，实现高增益的轨道角动量涡旋电磁波，克服了现有技术存在的发射效率低、轨道角动量波束畸变、通信质量下降的不足，使得本发明在不改变天线阵元的结构和排布方式的情况下，显著提升轨道角动量涡旋电磁波对应的主波束增益，缩小波前光强为0的奇点区域面积,从而保证远距离传输轨道角动量涡旋电磁波。

第二，由于本发明采用在产生轨道角动量涡旋电磁波的阵列天线上方设置单层电磁超表面，通过调整电磁超表面与阵列天线的金属地板之间的距离，最大程度的缩小高阶模式轨道角动量波束的波前光强为0的奇点区域面积，实现高增益的高阶模式轨道角动量涡旋电磁波，克服了现有技术存在的角动量涡旋电磁波的模态较低阶，无法实现通信系统的高效多通道传输的不足，使得本发明通过馈给n个天线阵元(n/2-1)种独立的相位分布来实现最高可达(n/2-1)阶模态的高增益轨道角动量涡旋电磁波，从而保证高效多通道的通信传输。

第三，由于本发明采用在沿半径为r的圆周均匀等间隔的排布的n个天线阵元上方设置单层电磁超表面，通过在单层介质板上印制沿x，y轴二维周期排布的p1×p2个尺寸相同的电磁超表面单元，极大的简化了高增益轨道角动量涡旋电磁波的装置设计，克服了现有技术存在的轨道角动量涡旋电磁波的产生装置对加工精度要求高，加工成本昂贵，工程实现性差的不足，使得本发明通过使用单层电磁超表面和天线阵列的形式来实现高增益轨道角动量涡旋电磁波，从而降低了产生高增益轨道角动量涡旋电磁波装置的结构复杂性，工程可实现性好。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明实施例1放置单层电磁超表面前后的远场辐射方向图；

图3为本发明实施例1放置单层电磁超表面前后的近场平面上的相位分布图；

图4为本发明实施例2放置单层电磁超表面前后的远场辐射方向图；

图5为本发明实施例2放置单层电磁超表面前后的近场平面上的相位分布图；

图6为本发明实施例3放置单层电磁超表面前后的远场辐射方向图；

图7为本发明实施例3放置单层电磁超表面前后的近场平面上的相位分布图；

图8为本发明实施例1放置单层电磁超表面前后的远场辐射方向图；

图9为本发明实施例1放置单层电磁超表面前后的近场平面上的相位分布图。

具体实现方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

参照附图1，对本发明的结构示意图作进一步详细的说明。

本发明包括介质基板1，金属地板2和天线阵元3。还包括设置在金属地板2上方的单层电磁超表面4，两者之间的距离在范围λ/10-λ内选取。单层电磁超表面4由附着在介质板41上沿x，y轴二维排布的p1×p2个电磁超表面单元42组成，p1，p2为正整数，排布间隔距离为p,排布间隔距离p的取值范围为λ/4-λ/2。介质板单元41的相对介电常数为εr，厚度为t，εr的取值范围为2-10，t的取值范围为0.5mm-3mm。电磁超表面单元42是栅格形、圆形、大于3的正v边形中的任意一种形状,v为大于3的正整数。介质基板1的下表面附着有金属地板2，上表面附着有n个天线阵元3,n为大于2l的正整数，l表示轨道角动量的模态数。介质基板1的相对介电常数为εr，厚度为h，εr的取值范围为2-10，h的取值范围为0.5mm-3mm。介质基板1和金属地板2为圆形或者正k边形，k为大于3的正整数。天线阵元3通过馈电金属柱31与金属地板2上的输入端口21相连。天线阵元3的形状是m边形或者圆形,m为大于3的正整数。天线阵元3沿半径为r的圆周均匀等间隔的排布在介质基板1的上表面,r>0.6λ，λ表示天线阵元3在工作频率处的波长。输入端口21是蚀刻在金属地板2上的圆形孔，输入端口21与馈电金属柱31同轴。

参照附图2，对本发明实施例1放置单层电磁超表面4前后的远场辐射方向图作进一步的描述。

本发明中实施例1的高增益轨道角动量阵列天线整体结构示意图与图1相同，介质基板1和金属地板2的形状为正四边形，介质基板1的相对介电常数εr为2.65，厚度h为0.8mm，天线阵元3的形状为圆形，n为8，8个天线阵元3沿半径r为60mm的圆周均匀等间隔排布组成阵列天线，阵列天线的工作频率为10ghz，相应的波长λ为30mm，单层电磁超表面4设置于金属地板2的上方，两者之间的距离为16.2mm，单层电磁超表面4由附着在介质板41上沿x，y轴二维周期排布的p1×p2个电磁超表面单元42组成，p1为17，p2为18，排布间隔距离p为10mm，电磁超表面单元42是边长为8mm的正四边形，介质板41的相对介电常数εr为2.65，厚度t为1.5mm。通过对8个天线阵元3馈以等幅同相信号，可实现模态为0的轨道角动量电磁涡旋波。图2中的横坐标为方向角(单位为deg)，纵坐标为增益(单位为db)，图2中的曲线为实现0模态轨道角动量电磁涡旋波的阵列天线放置单层电磁超表面4前后的远场辐射增益随着方向角度的变化曲线。曲线d0为实现0模态轨道角动量电磁涡旋波的阵列天线放置单层电磁超表面4前的远场辐射增益随着方向角度的变化曲线，曲线d0c为实现0模态轨道角动量电磁涡旋波的阵列天线放置单层电磁超表面4后的远场辐射增益随着方向角的变化曲线。阵列天线的主波束方向为方向角上的最大增益。实现0模态轨道角动量电磁涡旋波的阵列天线放置单层电磁超表面4后相对于放置单层电磁超表面4前的主波束增益提高了10.1db，波束中心空域面积缩小，即可实现模态为0的轨道角动量涡旋电磁波远距离传输。

参照附图3，对本发明实施例1放置单层电磁超表面4前后的近场平面上的相位分布图作进一步的描述。

本发明中实施例1的高增益轨道角动量阵列天线整体结构示意图与图1相同，介质基板1和金属地板2的形状为正4边形，介质基板1的相对介电常数εr为2.65，厚度h为0.8mm，天线阵元3的形状为圆形，n为8，8个天线阵元3沿半径r为60mm的圆周均匀等间隔排布组成阵列天线，阵列天线的工作频率为10ghz，相应的波长λ为30mm，单层电磁超表面4设置于金属地板2的上方，两者之间的距离为16.2mm，单层电磁超表面4由附着在介质板41上沿x，y轴二维周期排布的p1×p2个电磁超表面单元42组成，p1为17，p2为18，排布间隔距离p为10mm，电磁超表面单元42是边长为8mm的正四边形，介质板41的相对介电常数εr为2.65，厚度t为1.5mm。通过对8个天线阵元3馈以等幅同相信号，可实现模态为0的轨道角动量电磁涡旋波。图3中的横坐标是近场平面二维坐标中的一维坐标(单位为mm)，纵坐标是近场平面二维坐标中的另一维坐标(单位为mm)，右侧的颜色深浅代表相位值(deg)，近场平面为距离阵列天线法向17λ处尺寸为17λ×17λ的二维平面，图3中的平面二维图为实现0模态轨道角动量电磁涡旋波的阵列天线放置单层电磁超表面4前后的螺旋波前相位在近场平面上的二维分布。p0标记的平面二维图为实现0模态轨道角动量电磁涡旋波的阵列天线放置单层电磁超表面4前的螺旋波前相位在近场平面上的二维分布，p0c标记的平面二维图为实现0模态轨道角动量电磁涡旋波的阵列天线放置单层电磁超表面4后的螺旋波前相位在近场平面上的二维分布。阵列天线放置单层电磁超表面4前后的近场平面上的相位分布图均能实现明显的模态为0的轨道角动量涡旋电磁波特性，即单层电磁超表面4放置于阵列天线上可以在提高模态为0的轨道角动量主波束增益的同时保持轨道角动量电磁涡旋波的相位特性，从而保证远距离传输的通信质量。

参照附图4，对本发明实施例2放置单层电磁超表面4前后的远场辐射方向图作进一步的描述。

本发明中实施例2的高增益轨道角动量阵列天线整体结构示意图与图1相同，介质基板1和金属地板2的形状为正4边形，介质基板1的相对介电常数εr为2.65，厚度h为0.8mm，天线阵元3的形状为圆形，n为8，8个天线阵元3沿半径r为60mm的圆周均匀等间隔排布组成阵列天线，阵列天线的工作频率为10ghz，相应的波长λ为30mm，单层电磁超表面4设置于金属地板2的上方，两者之间的距离为16.3mm，单层电磁超表面4由附着在介质板41上沿x，y轴二维周期排布的p1×p2个电磁超表面单元42组成，p1为17，p2为18，排布间隔距离p为10mm，电磁超表面单元42是边长为8mm的正四边形，介质板41的相对介电常数εr为2.65，厚度t为1.5mm。通过对8个天线阵元3馈以等幅固定相差为-45deg的信号，可实现模态为1的轨道角动量电磁涡旋波。图4中的横坐标为方向角度(单位为deg)，纵坐标为增益(单位为db)，图4中的曲线为实现1模态轨道角动量电磁涡旋波的阵列天线放置单层电磁超表面4前后的远场辐射增益随着方向角度的变化曲线。曲线d1为实现1模态轨道角动量电磁涡旋波的阵列天线放置单层电磁超表面4前的远场辐射增益随着方向角度的变化曲线，曲线d1c为实现1模态轨道角动量电磁涡旋波的阵列天线放置单层电磁超表面4后的远场辐射增益随着方向角度的变化曲线。阵列天线的主波束方向为方向角度上的最大增益。实现1模态轨道角动量电磁涡旋波的阵列天线放置单层电磁超表面4后相对于放置单层电磁超表面4前的主波束增益提高了11db，波束中心空域面积缩小，即可实现模态为1的轨道角动量涡旋电磁波远距离传输。

参照附图5，对本发明实施例2放置单层电磁超表面4前后的近场平面上的相位分布图作进一步的描述。

本发明中实施例2的高增益轨道角动量阵列天线整体结构示意图与图1相同，介质基板1和金属地板2的形状为正4边形，介质基板1的相对介电常数εr为2.65，厚度h为0.8mm，天线阵元3的形状为圆形，n为8，8个天线阵元3沿半径r为60mm的圆周均匀等间隔排布组成阵列天线，阵列天线的工作频率为10ghz，相应的波长λ为30mm，单层电磁超表面4设置于金属地板2的上方，两者之间的距离为16.3mm，单层电磁超表面4由附着在介质板41上沿x，y轴二维周期排布的p1×p2个电磁超表面单元42组成，p1为17，p2为18，排布间隔距离p为10mm，电磁超表面单元42是边长为8mm的正四边形，介质板41的相对介电常数εr为2.65，厚度t为1.5mm。通过对8个天线阵元3馈以等幅固定相差为-45deg的信号，可实现模态为1的轨道角动量电磁涡旋波。图5中的横坐标是近场平面二维坐标中的一维坐标(单位为mm)，纵坐标是近场平面二维坐标中的另一维坐标(单位为mm)，右侧的颜色深浅代表相位值(deg)，近场平面为距离阵列天线法向17λ处尺寸为17λ×17λ的二维平面，图5中的平面二维图为实现1模态轨道角动量电磁涡旋波的阵列天线放置单层电磁超表面4前后的螺旋波前相位在近场平面上的二维分布。p1标记的平面二维图为实现1模态轨道角动量电磁涡旋波的阵列天线放置单层电磁超表面4前的螺旋波前相位在近场平面上的二维分布，p1c标记的平面二维图为实现1模态轨道角动量电磁涡旋波的阵列天线放置单层电磁超表面4后的螺旋波前相位在近场平面上的二维分布。阵列天线放置单层电磁超表面4前后的近场平面上的相位分布图均能实现明显的模态为1的轨道角动量涡旋电磁波特性，即单层电磁超表面4放置于阵列天线上可以在提高模态为1的轨道角动量主波束增益的同时保持轨道角动量电磁涡旋波的相位特性，从而保证远距离传输的通信质量。

参照附图6，对本发明的实施例3放置单层电磁超表面4前后的远场辐射方向图作进一步的描述。

本发明中实施例3的高增益轨道角动量阵列天线整体结构示意图与图1相同，介质基板1和金属地板2的形状为正4边形，介质基板1的相对介电常数εr为2.65，厚度h为0.8mm，天线阵元3的形状为圆形，n为8，8个天线阵元3沿半径r为60mm的圆周均匀等间隔排布组成阵列天线，阵列天线的工作频率为10ghz，相应的波长λ为30mm，单层电磁超表面4设置于金属地板2的上方，两者之间的距离为16.5mm，单层电磁超表面4由附着在介质板41上沿x，y轴二维周期排布的p1×p2个电磁超表面单元42组成，p1为17，p2为18，排布间隔距离p为10mm，电磁超表面单元42是边长为8mm的正四边形，介质板41的相对介电常数εr为2.65，厚度t为1.5mm。通过对8个天线阵元3馈以等幅固定相差为-90deg的信号，可实现模态为2的轨道角动量电磁涡旋波。图6中的横坐标为方向角度(单位为deg)，纵坐标为增益(单位为db)，图6中的曲线为实现2模态轨道角动量电磁涡旋波的阵列天线放置单层电磁超表面4前后的远场辐射增益随着方向角度的变化曲线。曲线d2为实现2模态轨道角动量电磁涡旋波的阵列天线放置单层电磁超表面4前的远场辐射增益随着方向角度的变化曲线，曲线d2c为实现2模态轨道角动量电磁涡旋波的阵列天线放置单层电磁超表面4后的远场辐射增益随着方向角度的变化曲线。阵列天线的主波束方向为方向角度上的最大增益。实现2模态轨道角动量电磁涡旋波的阵列天线放置单层电磁超表面4后相对于放置单层电磁超表面4前的主波束增益提高了8.7db，波束中心空域面积缩小，即可实现模态为2的轨道角动量涡旋电磁波远距离传输。

参照附图7，对本发明实施例3放置单层电磁超表面4前后的近场平面上的相位分布图作进一步的描述。

本发明中实施例3的高增益轨道角动量阵列天线整体结构示意图与图1相同，介质基板1和金属地板2的形状为正4边形，介质基板1的相对介电常数εr为2.65，厚度h为0.8mm，天线阵元3的形状为圆形，n为8，8个天线阵元3沿半径r为60mm的圆周均匀等间隔排布组成阵列天线，阵列天线的工作频率为10ghz，相应的波长λ为30mm，单层电磁超表面4设置于金属地板2的上方，两者之间的距离为16.5mm，单层电磁超表面4由附着在介质板41上沿x，y轴二维周期排布的p1×p2个电磁超表面单元42组成，p1为17，p2为18，排布间隔距离p为10mm，电磁超表面单元42是边长为8mm的正四边形，介质板41的相对介电常数εr为2.65，厚度t为1.5mm。通过对8个天线阵元3馈以等幅固定相差为-90deg的信号，可实现模态为2的轨道角动量电磁涡旋波。图7中的横坐标是近场平面二维坐标中的一维坐标(单位为mm)，纵坐标是近场平面二维坐标中的另一维坐标(单位为mm)，右侧的颜色深浅代表相位值(deg)，近场平面为距离阵列天线法向17λ处尺寸为17λ×17λ的二维平面，图7中的平面二维图为实现2模态轨道角动量电磁涡旋波的阵列天线放置单层电磁超表面4前后的螺旋波前相位在近场平面上的二维分布。p2标记的平面二维图为实现2模态轨道角动量电磁涡旋波的阵列天线放置单层电磁超表面4前的螺旋波前相位在近场平面上的二维分布，p2c标记的平面二维图为实现2模态轨道角动量电磁涡旋波的阵列天线放置单层电磁超表面4后的螺旋波前相位在近场平面上的二维分布。阵列天线放置单层电磁超表面4前后的近场平面上的相位分布图均能实现明显的模态为2的轨道角动量涡旋电磁波特性，即单层电磁超表面4放置于阵列天线上可以在提高模态为2的轨道角动量主波束增益的同时保持轨道角动量电磁涡旋波的相位特性，从而保证远距离传输的通信质量。

参照附图8，对本发明实施例4放置单层电磁超表面4前后的远场辐射方向图作进一步的描述。

本发明中实施例4的高增益轨道角动量阵列天线整体结构示意图与图1相同，介质基板1和金属地板2的形状为正4边形，介质基板1的相对介电常数εr为2.65，厚度h为0.8mm，天线阵元3的形状为圆形，n为8，8个天线阵元3沿半径r为60mm的圆周均匀等间隔排布组成阵列天线，阵列天线的工作频率为10ghz，相应的波长λ为30mm，单层电磁超表面4设置于金属地板2的上方，两者之间的距离为16.9mm，单层电磁超表面4由附着在介质板41上沿x，y轴二维周期排布的p1×p2个电磁超表面单元42组成，p1为17，p2为18，排布间隔距离p为10mm，电磁超表面单元42是边长为8mm的正四边形，介质板41的相对介电常数εr为2.65，厚度t为1.5mm。通过对8个天线阵元3馈以等幅固定相差为-135deg的信号，可实现模态为3的轨道角动量电磁涡旋波。图8中的横坐标为方向角度(单位为deg)，纵坐标为增益(单位为db)，图8中的曲线为实现3模态轨道角动量电磁涡旋波的阵列天线放置单层电磁超表面4前后的远场辐射增益随着方向角度的变化曲线。曲线d3为实现3模态轨道角动量电磁涡旋波的阵列天线放置单层电磁超表面4前的远场辐射增益随着方向角度的变化曲线，曲线d3c为实现0模态轨道角动量电磁涡旋波的阵列天线放置单层电磁超表面4后的远场辐射增益随着方向角度的变化曲线。阵列天线的主波束方向为方向角度上的最大增益。实现3模态轨道角动量电磁涡旋波的阵列天线放置单层电磁超表面4后相对于放置单层电磁超表面4前的主波束增益提高了7db，波束中心空域面积缩小，即可实现模态为3的轨道角动量涡旋电磁波远距离传输。

参照附图9，对本发明的实施例4放置单层电磁超表面4前后的近场平面上的相位分布图作进一步的描述。

本发明中实施例4的高增益轨道角动量阵列天线整体结构示意图与图1相同，介质基板1和金属地板2的形状为正4边形，介质基板1的相对介电常数εr为2.65，厚度h为0.8mm，天线阵元3的形状为圆形，n为8，8个天线阵元3沿半径r为60mm的圆周均匀等间隔排布组成阵列天线，阵列天线的工作频率为10ghz，相应的波长λ为30mm，单层电磁超表面4设置于金属地板2的上方，两者之间的距离为16.9mm，单层电磁超表面4由附着在介质板41上沿x，y轴二维周期排布的p1×p2个电磁超表面单元42组成，p1为17，p2为18，排布间隔距离p为10mm，电磁超表面单元42是边长为8mm的正四边形，介质板41的相对介电常数εr为2.65，厚度t为1.5mm。通过对8个天线阵元3馈以等幅固定相差为-135deg的信号，可实现模态为3的轨道角动量电磁涡旋波。图9中的横坐标是近场平面二维坐标中的一维坐标(单位为mm)，纵坐标是近场平面二维坐标中的另一维坐标(单位为mm)，右侧的颜色深浅代表相位值(deg)，近场平面为距离阵列天线法向17λ处尺寸为17λ×17λ的二维平面，图9中的平面二维图为实现3模态轨道角动量电磁涡旋波的阵列天线放置单层电磁超表面4前后的螺旋波前相位在近场平面上的二维分布。p3标记的平面二维图为实现3模态轨道角动量电磁涡旋波的阵列天线放置单层电磁超表面4前的螺旋波前相位在近场平面上的二维分布，p3c标记的平面二维图为实现3模态轨道角动量电磁涡旋波的阵列天线放置单层电磁超表面4后的螺旋波前相位在近场平面上的二维分布。阵列天线放置单层电磁超表面4前后的近场平面上的相位分布图均能实现明显的模态为3的轨道角动量涡旋电磁波特性，即单层电磁超表面4放置于阵列天线上可以在提高模态为3的轨道角动量主波束增益的同时保持轨道角动量电磁涡旋波的相位特性，从而保证远距离传输的通信质量。

综上所述，本发明可以实现四种模态的高增益角动量电磁涡旋波。在工作频率10ghz处，圆环形天线阵放置单层电磁超表面4前的远场辐射方向图随着角动量电磁涡旋波模态数的增加，波前光强为0的奇点区域面积增大，方向图逐渐发散，不适应于远距离传输角动量电磁涡旋波。在工作频率10ghz处，圆环形天线阵放置单层电磁超表面4后的远场辐射方向图相对于未放置单层电磁超表面4的远场辐射方向图，在保持相同的轨道角动量角动量电磁涡旋波模态下，极大的缩减了波前光强为0的奇点区域面积，主波束向圆环形天线阵的辐射方向中轴线聚拢，大幅提升了主波束增益，从而解决了高阶模态轨道角动量涡旋电磁波发射效率低、轨道角动量波束畸变、通信质量下降，无法实现通信系统的高效多通道传输，以及加工精度要求高，加工成本昂贵，工程实现性差等问题。

以上是本发明的四种具体模态的高增益轨道角动量涡旋电磁波，并不构成对本发明的任何限制。