[发明专利]基于单层电磁超表面的高增益轨道角动量阵列天线

说明书

技术领域

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。