[发明专利]机械可重构阵列天线产生多模态轨道角动量的装置及方法

权利要求书

1.一种机械可重构阵列天线产生多模态轨道角动量的装置，包括馈电网络和位于其上方的阵列天线，所述馈电网络，包括第一介质基板(1)和印制在其上表面的第一金属地板(2)，其特征在于：所述阵列天线，包括N个固定在馈电网络上方的单臂螺旋天线单元(3)，形成环状结构，用于辐射轨道角动量涡旋波，其中，4≤N≤14，且为整数；所述单臂螺旋天线单元(3)包括单臂螺旋辐射体(31)和同轴线(32)，所述单臂螺旋辐射体(31)可绕同轴线(32)旋转，用于实现多模态轨道角动量的相位补偿特性；所述第一介质基板(1)的下表面印制有微带功分器(4)，其各输出端口通过同轴线(32)，为N个单臂螺旋辐射体(31)提供等幅同相的激励。

2.根据权利要求1所述的机械可重构阵列天线产生多模态轨道角动量的装置，其特征在于，所述环状结构，其半径为R₁，0.8λ≤R₁≤1.4λ，其中，λ为中心频率的波长，且环状结构的轴线与馈电网络的轴线重合。

3.根据权利要求1所述的机械可重构阵列天线产生多模态轨道角动量的装置，其特征在于，所述N个单臂螺旋辐射体(31)，位于同一水平面上。

4.根据权利要求1所述的机械可重构阵列天线产生多模态轨道角动量的装置，其特征在于，所述单臂螺旋辐射体(31)包括微带螺旋臂(311)、电阻(312)、第二介质基板(313)和匹配圆盘(314)，所述微带螺旋臂(311)采用左旋或右旋结构，印制在第二介质基板(313)的上表面，所述电阻(312)焊接在微带螺旋臂(311)的尾端，匹配圆盘(314)固定在第二介质基板(313)下表面的中心位置；其中微带螺旋臂(311)的圈数为t，3≤t≤4，电阻(312)的阻值为Z，140Ω≤Z≤180Ω，第二介质基板(313)的半径为R₂，0.3λ≤R₂≤0.6λ，其中，λ为中心频率的波长。

5.根据权利要求4所述的机械可重构阵列天线产生多模态轨道角动量的装置，其特征在于，所述匹配圆盘(314)，包括第三介质基板和印制在第三介质基板下表面的第二金属地板。

6.一种机械可重构阵列天线产生多模态轨道角动量的方法，包括以下步骤：

(1)给定轨道角动量的模态l，单臂螺旋天线单元的个数N，并计算相邻单臂螺旋天线单元之间的相位差Δφ_l；

(2)确定单臂螺旋辐射体绕同轴线的旋转方向：

当微带螺旋臂采用右旋结构，根据轨道角动量的模态l，确定单臂螺旋辐射体绕同轴线的旋转方向，l＞0时，逆时针旋转，l＜0时，顺时针旋转；

当微带螺旋臂采用左旋结构，根据轨道角动量的模态l，确定单臂螺旋辐射体绕同轴线的旋转方向，l＞0时，顺时针旋转，l＜0时，逆时针旋转；

(3)确定单臂螺旋辐射体绕同轴线的旋转角度n·Δφ_l：

选取N个单臂螺旋辐射体中的任意一个为基准，确定各单臂螺旋辐射体绕同轴线的旋转角度n·Δφ_l，其中，n表示单臂螺旋辐射体沿环状结构排列的序号，且n＝0,1,2,…,N-1；

(4)绕同轴线旋转单臂螺旋辐射体：

根据单臂螺旋辐射体绕同轴线的旋转方向和旋转角度n·Δφ_l，以N个单臂螺旋辐射体中序号n＝0的辐射体为起点，沿环状结构顺时针或逆时针，依次将每个单臂螺旋辐射体绕同轴线旋转n·Δφ_l度；

(5)获取模态为l的轨道角动量涡旋波束：

电信号经过微带功分器的输入端、各输出端以及与各输出端连接的同轴线，传输给各单臂螺旋辐射体，获得阵列天线提供的数量为2πl的相位补偿后，产生模态为l的轨道角动量涡旋波束。

7.根据权利要求6所述的机械可重构阵列天线产生多模态轨道角动量的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的计算相邻单臂螺旋天线单元之间的相位差Δφ_l，计算公式为：

Δφ_l＝2πl/N

其中，-N/2＜l＜N/2，4≤N≤14，且l为非零整数，N为整数。