一种具有高增益低发散角的涡旋波超表面天线

1.本发明属于天线技术移动无线通信领域，具体为一种具有高增益低发散角的涡旋波超表面天线，可用于提高涡旋波超表面天线增益，以及降低产生的不同模式不同极化下涡旋波束的发散角。


背景技术：

2.在现代无线通信技术的快速发展下，无线通信终端设备得到大量普及。随着终端设备接入数量的逐渐上升，人们对更快速的通信速率的追求与有限的频谱资源之间的矛盾不断推动着新的通信技术诞生。从一维的频分复用，到二维的时分复用，再到高维的码分复用、正交频分复用等，通信领域不断提高的复用方式极大的缓解了前5g时代的通信压力。但是在科技与经济快速发展的当下，人们对高质量物联网生活的渴求呼唤着更高的频谱利用率以缓解资源有限的压力。一种新的复用技术，理论上可达到n维复用的“态分复用”逐渐走向研究焦点。该技术的实现主要依赖携带有轨道角动量(oam:orbital angular momentum)的电磁涡旋波。利用轨道角动量不同模态相互正交的特点，使产生的携带不同模态轨道角动量的涡旋波束相互正交独立，从而实现对同一频率的复用。
3.在对涡旋波束产生方式的研究中，逐渐出现了螺旋相位板、全息平板、相控阵天线等较为传统的产生方法。但是这些方法往往依赖于较为庞大的结构和复杂的馈电网络。一种基于人工电磁结构的二维电磁反射阵，超表面反射结构，由于其低剖面、小体积，免于复杂的馈电网络，以及易于控制电磁波幅度和相位等特点，使其在产生涡旋波束中有更大的优势。由于涡旋波中空和锥面传输的特性，其传输的能量集中于锥状主瓣。锥状的传输主瓣为涡旋波带来了一定的发散角，尤其是当oam模式增高时，其发散角也随之增大。这极大的降低了涡旋波的传输距离，且增大了涡旋波束与周围环境的反射，导致传输过程中能量的损耗，降低了接收波束的纯度。为得到更好的应用，涡旋波超表面天线需要拥有更高的增益以及降低所产生涡旋波束的发散角。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提出一种具有高增益低发散角的涡旋波超表面天线，用以提高现有涡旋波超表面天线的增益，以及解决产生的涡旋波束发散角较大的问题，有助于进一步提高涡旋波超表面天线的应用前景。
5.本发明采用的技术方案如下：
6.一种具有高增益低发散角的涡旋波超表面天线，包括：依次设置的涡旋波超表面反射结构(1)、环状抛物反射结构(2)、天线馈源(3)。
7.所述天线馈源(3)，用于向所述涡旋波超表面反射结构(1)辐射任意极化下的球面波。
8.所述涡旋波超表面反射结构(1)，其反射面为圆形，用于反射球面波并将其转换为涡旋波。
9.所述环状抛物反射结构(2)，其反射面为中心设置有圆形通孔的旋转抛物面，用于反射所述涡旋波超表面反射结构(1)产生的涡旋波，减小涡旋波的发散角，提高天线增益。
10.进一步地，建立空间直角坐标系，将所述涡旋波超表面反射结构(1)的反射面中心作为坐标原点，反射面位于xoy平面，z轴指向天线馈源(3)方向，天线馈源(3)与坐标原点的距离为d；
11.所述旋转抛物面在坐标轴xoz平面的母线满足函数：
12.z(x)＝fc/2
–
x2/(4*fc)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
13.其中，x为母线函数在x轴满足的定义域变量，z(x)为母线在z轴上对应函数，fc＝2*d为所述旋转抛物面的的焦距。
14.进一步地，所述旋转抛物面的母线满足的函数定义域为x∈[xs,xe]，其中，xs＝a*d/2，a为(0，1]中的任意常数，xe＝b*d，b为[1，2]中的任意常数，d为涡旋波超表面反射结构(1)的孔径。该定义域范围可保证产生的锥状波束主瓣能量在环状抛物反射结构(2)上得到充分反射，并能够有效减小涡旋波的发散角，提高天线增益。
[0015]
根据所述函数定义域和所需的涡旋波束轨道角动量模式数l，通过公式(2)估计降低后的涡旋波束发散角θm范围为：
[0016]al
＝kxsinθmꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0017]
其中，k为自由空间中的传播常数，a
l
为第l阶贝塞尔函数的第一个极大值点；通过上式对最终产生的涡旋波束发散角进行估计，可以避免费时的仿真，为后续的应用提供设计依据。
[0018]
综上所述，基于以上技术方案，本发明可达到的效果为：天线馈源辐射的球面波通过涡旋波超表面反射结构进行反射后，产生的涡旋波束再通过环状抛物反射结构进行反射，最终产生的涡旋波束具有更低的发散角，同时，超表面天线的增益也将会更高。对于不同模式不同极化的涡旋波束，通过环状抛物反射结构反射后均具有降低发散角的效果，且提高了原涡旋波超表面天线的增益。
附图说明
[0019]
图1为本发明一个实施例的结构示意图；
[0020]
图2为本发明一个实施例的辐射图；
[0021]
图3为本发明一个实施例中没有环状抛物反射结构时的辐射图；
[0022]
图4为本发明一个实施例中电场平面辐射模式图；
[0023]
图5为本发明一个实施例中没有环状抛物反射结构时的电场平面辐射模式图；
[0024]
图6为本发明一个实施例中产生的模式为7的涡旋波束的幅度相位图；
[0025]
图7为本发明一个实施例中产生的模式为8的涡旋波束的幅度相位图。
具体实施方式
[0026]
为了深入了解本发明，使本发明的目的、采用的技术方案以及优点更加清楚明了，现结合附图以及实施例对本技术提出的一种具有高增益低发散角的涡旋波超表面天线作进一步地全面描述。需要说明的是，此处所描述的实施例仅仅用于更清晰地解释本技术，并不是旨在为本技术作相关限定。
[0027]
参见图1所示，一种具有高增益低发散角的涡旋波超表面天线，包括：依次设置的涡旋波超表面反射结构(1)、环状抛物反射结构(2)和天线馈源(3)。所述天线馈源(3)，用于定向辐射任意极化下的球面波；所述涡旋波超表面反射结构(1)，其反射面为圆形，用于反射球面波并将其转换为涡旋波；所述环状抛物反射结构(2)，其反射面为中心设置有圆形通孔的旋转抛物面，用于反射所述涡旋波超表面反射结构(1)产生的涡旋波，并降低涡旋波的发散角，提高天线的增益。
[0028]
以所述涡旋波超表面反射结构(1)的反射面中心为坐标原点，建立空间直角坐标系，反射面位于xoz平面，z轴指向天线馈源(3)方向，天线馈源(3)与坐标原点的距离d＝150mm。
[0029]
所述旋转抛物面的母线满足函数：
[0030]
z(x)＝fc/2
–
x2/(4*fc)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0031]
其中，x为母线函数在x轴满足的定义域变量，z(x)为母线在z轴上对应函数；fc＝2*d＝300mm为所述环状凹金属面的焦距。所述旋转抛物面的母线满足的函数定义域x∈[xs，xe]在本实施例中定义为，xs＝a*d/2＝100mm，xe＝b*d＝250mm，其中a＝2/5，b＝1，d＝250mm为所述涡旋波超表面反射结构的孔径。对于定义的函数定义域范围x∈[100，250]，(单位：mm)和本实例所需的涡旋波模式l＝7或8，根据估计式子a
l
＝kxsinθm在工作频率为14ghz时求解，得到降低后的涡旋波束发散角大致范围为θm∈[6
°
，17
°
]。对最终产生的涡旋波发散角的估计避免了费时的仿真，能够为后续的应用提供设计依据。
[0032]
参见图2和图3所示，在具体实施例中，分别给出了本发明提出的配备有所述环状抛物反射结构(2)的涡旋波超表面天线的增益(图2)和具有相同结构的普通涡旋波超表面天线的增益(图3)仿真结果。由三维辐射图(图2)可以看出，有中空的波束产生，表示本发明能够正确产生涡旋波束。在该实施例中，本发明的天线增益为12.5db，相对具有同种结构的普通涡旋波超表面天线10db的增益(图3)更高，体现了本发明具有提高涡旋波超表面天线增益的功能。
[0033]
参见图4和图5所示，在具体实施例中，分别给出了本发明产生的涡旋波的电场平面辐射图(图4)和具有同种结构的普通涡旋波超表面天线产生涡旋波的电场平面辐射图(图5)仿真结果。由图5可得，具有同种结构的普通涡旋波超表面天线产生的涡旋波波束发散角在28
°
到34
°
之间。由图4中的电场平面辐射图可以看出，本发明实例中产生的涡旋波波束的发散角在11
°
左右，属于预计范围θm∈[6
°
,17
°
]，大约为同种结构的普通涡旋波超表面产生的涡旋波束发散角的1/3。该对比体现了本发明具有降低涡旋波超表面天线产生的涡旋波发散角的功能。
[0034]
参见图6和图7所示，在具体实施例中，分别给出了本发明产生的两种不同模式不同极化下，模式为7(图6)和模式为8(图7)，的涡旋波幅度和相位图。从图6的虚线框中可以看出，沿方位角具有连续的幅度分布和7周期的螺旋相位，这验证了模式为7的涡旋波产生。从图7的虚线框中可以看出，沿方位角具有连续的幅度分布和8周期的螺旋相位，这验证了模式为8的涡旋波产生。该实例说明本发明对涡旋波超表面天线产生的不同模式不同极化的涡旋波，都具有降低发散角，提高涡旋波超表面天线增益的功能。
[0035]
以上所述的具体实施例，仅为本发明的一种实施方式，其描述较为具体，但不能把此当作对本发明适用范围的限制。需要说明的是，对于本专业领域的技术人员而言，在不脱
离本发明主旨构思的前提下，可以对本技术进行若干变形与改进，这些依然在本发明的保护范围内。因此，本技术的具体保护范围应以所附权利要求为准。