[发明专利]基于全息张量阻抗表面的涡旋电磁波束天线及其实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其是涉及基于全息张量阻抗表面的涡旋电磁 波束天线及其实现方法。

背景技术

携带轨道角动量的电磁波，被称之为涡旋电磁波，相对于平面电磁波而言， 其最大的特征是具有螺旋的等相位面，并且随着电磁波束的传输螺旋前进。关 于轨道角动量的研究，最早是在光学领域，1992年L.Allen等人证明携带有 相位因子的拉盖尔高斯光束携带有电磁轨道角动量，其中l为轨道角动 量模式。从那时起，轨道角动量的应用得到了广泛的研究与发展。在光学与光 子学领域，人们利用涡旋光的螺旋形空间相位特征，将携带有轨道角动量的涡 旋光应用在成像、光通信、微粒操纵以及微型加工等方面。轨道角动量的概念 引入到射频、微波和毫米波波段，基于轨道角动量复用的涡旋电磁波可以增加 信道容量、提高频谱利用率。

由涡旋电磁波的螺旋相位结构可以得知，涡旋电磁波产生的基本原理就是 要在与传播方向垂直的横截面上构造这种相位分布。涡旋电磁波的产生方法主 要分为以下几种：阵列天线、螺旋相位板、超材料表面、行波天线、漏波天线、 贴片天线、介质谐振天线、Rotman透镜、全息光栅等。其中，比较常用的有阵 列天线和螺旋相位板方法。虽然涡旋电磁波的产生方法很多，但不能同时产生 多种轨道角动量模态的天线。

与光学全息的原理类似，微波全息以及基于全息原理的全息阻抗表面和全 息天线在设计思路上延续了光学全息的方法，即利用微波全息干涉图样记录下 目标场与源场的干涉图样，再通过源场照射微波全息表面就可以得到所需目标 场。全息张量阻抗表面作为电磁表面的一种，其具有易于共形、剖面低、易于 加工集成等优良特性，为电磁波的精确调控提供了新的可能，在军事通信等领 域有广阔应用前景。

全息阻抗表面包括两类，标量阻抗表面和张量阻抗表面。目前，全息阻抗 表面已经可以用来控制电磁波束辐射方向、极化、波束宽度以及形状等。例如 请求号为CN201310323806.X的中国专利公开了一种基于全息原理和阻抗表面的 低剖面锥形出射方向天线，可实现锥状波束；又例如请求号为CN201310292298.3 的中国专利公开了一种基于全息阻抗表面的多波束天线设计方法，可实现多波 束；再例如请求号为CN201410343597.X的中国专利公开了全息阻抗表面共形天 线，实现了共形天线的设计，这几种天线多采用标量表面阻抗，其可变参量少， 仅能对电磁波束的方向性等因素进行调制，其调制局限。

发明内容

本发明基于全息张量阻抗表面，提出了一种基于全息张量阻抗表面的涡旋 电磁波束天线及其实现方法。该方法可以实现任意轨道角动量模式的涡旋电磁 波束产生，为当前基于轨道角动量模式复用的涡旋电磁波通信收发装置提供了 一种新的选择。

为实现上述目的，本发明基于全息张量阻抗表面，利用全息调制技术来产 生涡旋电磁波。其采用的技术方案如下：

基于全息张量阻抗表面的涡旋电磁波束天线，包括介质基板，印制在该介 质基板上表面并作为天线全息表面结构的全息金属贴片，设置在该介质基板下 表面的金属地板，以及设置在该介质基板中心、用于激励该涡旋电磁波天线的 馈电单极子。其中，全息金属贴片由印刷在接地介质基板上表面的一系列不同 尺寸中间开缝的圆形金属贴片组成。

优选地，馈电单极子采用SMA接头结构，介质基板为Taconic RF-60介质 板，其介电常数为6.15，半径为183mm，高为1.27mm，馈电单极子半径为 0.652mm，高度为4mm。其中，SMA接头用于激励该涡旋电磁波天线产生微波 全息原理所需的参考波。

具体地，涡旋电磁波束天线实现方法包括如下步骤：

(Ⅰ)提取任意张量阻抗单元的等效表面阻抗：

(1)本发明采用张量阻抗单元，其具体结构为中间开缝的张量圆形金属贴 片结构。其参数表征及具体含义为：圆形贴片间距，g；缝隙角度，θ_s；