圆极化混合阵列天线及混合阵列天线控制方法与流程

本发明涉及轨道角动量阵列天线，具体而言，涉及一种圆极化混合阵列天线及混合阵列天线控制方法。

背景技术：

1、磁波的轨道角动量(orbital angular momentum，缩写为oam)描述的是电磁波绕传播轴旋转的特性；oam阵列天线在通信领域中具有很高的应用价值，它可以实现在同一频带内并行传输不同信息，从而提高通信系统的容量和效率。

2、oam波束通过在电磁波束前加入螺旋相位实现，在无线电和光学领域已经提出了多种产生oam波束的方法和装置。常见的有透射阵、反射阵、螺旋相位板、螺旋抛物面、亚波长光栅板和圆形阵列等。其中透射阵和反射阵由于具有结构紧凑、易加工、同时能够提供波前相位调制的优点而被广泛使用。

3、现有技术中，通过在透射阵单元和反射阵单元上集成二极管来实现可重构；目前常见的可重构单元(透射单元及反射单元)多为1-bit式，即通过二极管的通断来提供两种相差180°的相位响应，但是这种1-bit的可重构单元离散的量化误差较大；因此，传统使用的1-bit可重构单元实现的可切换的oam模态天线只能实现1-bit的相位补偿，相位量化误差大，oam纯度低，口径面效率低，无法满足现实条件下的多种使用要求。

技术实现思路

1、本发明提供一种圆极化混合阵列天线及混合阵列天线控制方法，以解决现有技术中的圆极化混合阵列天线只能实现1-bit的相位补偿，相位量化误差大，oam纯度低且口径面效率低的技术问题。

2、为了解决上述问题，本发明提供了一种圆极化混合阵列天线，包括反射阵列、透射阵列和馈源，反射阵列包括多个成行成列排布的反射式可重构单元，透射阵列包括多个成行成列排布的透射式可重构单元，馈源产生的线极化波经反射阵列反射、透射阵列透射后射出；其中，多个反射式可重构单元包括两种，一种为第一反射单元，另一种为第二反射单元，第一反射单元与第二反射单元的相位响应相差90°；多个透射式可重构单元包括两种，一种为第一透射单元，另一种为第二透射单元，第一透射单元与第二透射单元的相位响应相差90°。

3、进一步地，馈源安装在反射阵列的中部，馈源的发射方向朝向透射阵列；反射阵列与透射阵列按照设定距离间隔平行设置；反射式可重构单元和透射式可重构单元均为二极管可重构单元。

4、进一步地，馈源产生的线极化波依次经过透射阵列的一次反射、反射阵列的一次反射后，从透射阵列透射后射出；其中，馈源距离透射阵列的最近距离等于反射阵列与透射阵列之间的最近距离，且均为反射阵列的焦距的一半。

5、进一步地，第一反射单元、第二反射单元、第一透射单元和第二透射单元均采用1-bit式可重构单元，以实现圆极化混合阵列天线2-bit的相位补偿。

6、进一步地，第一反射单元和第二反射单元相配合工作，反射阵列在oam模态＝m和oam模态＝-m两种模式相互切换，且具有2-bit的相位补偿；其中，m为正整数。

7、进一步地，第一透射单元和第二透射单元相配合工作，透射阵列在oam模态＝n和oam模态＝-n两种模式相互切换，且具有2-bit的相位补偿；其中，n为正整数。

8、进一步地，第一反射单元和第二反射单元相配合工作，反射阵列在oam模态＝m和oam模态＝-m两种模式相互切换，且具有2-bit的相位补偿；第一透射单元和第二透射单元相配合工作，透射阵列在oam模态＝n和oam模态＝-n两种模式相互切换，且具有2-bit的相位补偿；其中，m和n均为正整数；当m≠n时，圆极化混合阵列天线在oam模态＝-m-n、oam模态＝-m+n、oam模态＝m-n和oam模态＝m+n四种模式下切换；当m＝n时，圆极化混合阵列天线在oam模态＝-2m、oam模态＝0、和oam模态＝2m三种模式下切换。

9、进一步地，反射式可重构单元包括具有轴向通孔的第一金属通孔件、依次堆叠的第一上金属板、第一介质板和第一下金属板，第一金属通孔件穿过第一介质板，且分别与第一上金属板、第一下金属板电连接；第一上金属板上焊接二极管，以实现可重构；第一下金属板作为金属地层。

10、进一步地，第一上金属板为矩形金属片结构；其中，第一反射单元的两个二极管分别焊接在矩形金属片的相邻两角；第二反射单元的两个二极管分别焊接在矩形金属片两个相邻边的中部，以使第一反射单元与第二反射单元的相位响应相差90°。

11、进一步地，透射式可重构单元包括具有轴向通孔的第二金属通孔件，依次堆叠的第二上金属板、上介质板、中金属板、半固化片板、下介质板和第二下金属板；第二金属通孔件穿过上介质板、中金属板、半固化片板和下介质板，且分别与第二上金属板、中金属板、第二下金属板电连接；第二下金属板上焊接二极管，以实现可重构；中金属板作为金属地层。

12、进一步地，第二下金属板的中部具有回型环槽，通过焊接两个二极管，将回型环槽中部的实体结构分别与回型环槽相对应的两侧的实体结构电连接；第二上金属板的中部具有u型通槽，u型通槽具有中轴线；其中，第一透射单元的第二上金属板的中轴线垂直于第二透射单元的第二上金属板的中轴线，以使第一透射单元与第二透射单元的相位响应相差90°。

13、进一步地，馈源为线极化天线。

14、本发明还提出一种混合阵列天线控制方法，应用于上述的圆极化混合阵列天线；包括如下步骤：转换步骤：控制反射阵列将馈源发射的电磁波转换为平面电磁波；或者，控制透射阵列将馈源发射的电磁波转换为平面电磁波；转化步骤：控制透射阵列将平面电磁波转化为圆极化波；改变透射阵列中截角方向，以改变圆极化波的旋向。

15、进一步地，混合阵列天线控制方法还包括切换步骤：切换反射阵列和/或透射阵列中二极管的通断状态，设定二极管通电状态为第一状态，设定二极管断电状态为第二状态，第一状态和第二状态之间的相位响应相差180°，以控制馈源发射的电磁波的辐射方向和辐射能量分布。

16、应用本发明的技术方案，本发明提供了一种圆极化混合阵列天线，包括反射阵列、透射阵列和馈源，反射阵列包括多个成行成列排布的反射式可重构单元，透射阵列包括多个成行成列排布的透射式可重构单元，馈源产生的线极化波经反射阵列反射、透射阵列透射后射出；其中，多个反射式可重构单元包括两种，一种为第一反射单元，另一种为第二反射单元，第一反射单元与第二反射单元的相位响应相差90°；多个透射式可重构单元包括两种，一种为第一透射单元，另一种为第二透射单元，第一透射单元与第二透射单元的相位响应相差90°。

17、本发明提出了一种可切换oam模态的圆极化混合阵列天线，通过设置反射阵列和透射阵列配合工作，实现了轨道角动量(orbital angular momentum，oam)模态的可靠切换，并增加了可切换的oam模态数；通过设置第一反射单元与第二反射单元的相位响应相差90°以及第一透射单元与第二透射单元的相位响应相差90°，可以将两个现有的可重构反射单元进行高效结合，实现轨道角动量模态的高效可控切换；本发明有效降低了相位量化误差，增加了oam的纯度和圆极化混合阵列天线的口径面效率。另外，本发明相对于现有的可重构oam透射阵天线与反射阵天线，理论上多个反射式可重构单元和多个透射式可重构单元的总数一半的可重构单元可以不焊接二极管，这一半无二极管的单元此时不作为可重构单元使用，无需进行模态切换，单纯只进行限位补偿功能即可实现相位补偿，这样设置能够大大减少天线整体所需二极管的数量，进而降低了成本。