[发明专利]一种多波束可重构的涡旋场超表面透镜折叠天线

说明书

本发明提出一种多波束可重构的涡旋场超表面透镜折叠天线，包括透镜、馈源、反射面和支撑结构。透镜包括依次层叠的第一介质板，并印制均匀排布的矩形金属贴片和十字形金属贴片。反射面包括第二介质板，金属地，蝴蝶形金属贴片和PIN二极管。本发明通过对各向异性超表面透镜和极化转换有源超表面反射面的融合设计，实现一种多波束可重构的涡旋场超表面透镜折叠天线。利用PIN二极管的通断两种状态实现极化转换功能，产生不同极化状态的电磁波激励各向异性超表面透镜，实现了多波束可重构的涡旋波辐射。

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及天线技术领域中的一种多波束涡旋场可重构的超表面透镜折叠天线。本发明可用于通信系统中发射并复用不同的涡旋波信号。

技术背景

涡旋电磁波是携带有轨道角动量的螺旋电磁波束，由于其不同模式的轨道角动量之间具有良好的正交性，所以在同一工作频率下能够形成大量复用通道，可以提高频谱利用率和通信容量。多波束天线能够在一个天线口径面上产生两个或多个波束，实现波束赋形，有效增加天线的覆盖范围。然而，利用传统阵列天线产生携带有涡旋电磁波的多波束天线，需要复杂的馈电相移网络，不但要保证不同辐射单元之间的相位关系，还要做到功率的一致以保证涡旋电磁波模态的纯度。利用超表面的口径场叠加原理可以实现多个波束的涡旋电磁波且纯度较高，但是该方法只能产生一种多波束涡旋波辐射，一旦天线结构固定，其波束特性将不能改变，无法实现天线的多波束可重构设计。

西安电子科技大学在其申请的专利文献“一种基于超表面的四波束涡旋场卡塞格伦透镜天线”(申请号：CN201811566784.9，申请公开号：CN109698407A)中提出了一种可以产生四个1模态涡旋波束的卡塞格伦透镜天线。该天线包括透镜、馈源、反射面和支撑结构，其中透镜部分包括多个依次层叠的第一介质板并印制有均匀排布的第一贴片阵列。该天线以印刷电路板的方式制作，工艺简单，成本低，通过将第一贴片阵列划分为多个矩形区域，且对相邻矩形区域附加180度相位差，可以得到四个不同方向的涡旋场。但是，该卡塞格伦透镜天线仍然存在不足之处是：第一，该天线虽然实现了四个1模态的涡旋电磁波，但其四个波束方向和涡旋电磁波模态值不能单独的任意改变，无法实现通信系统中不同涡旋波复用传输。第二，该天线结构一旦固定，其多波束辐射特性不能改变，无法实现多波束可重构设计。

综上所述，目前涡旋场超表面透镜折叠天线存在两个问题，其一是，现有的涡旋波透镜折叠天线难以实现任意波束指向和任意涡旋波模态的多波束辐射。其二，现有的涡旋波透镜折叠天线，难以实现多波束可重构设计。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种多波束可重构的涡旋场超表面透镜折叠天线，用于解决涡旋场超表面透镜折叠天线无法实现通信系统中不同涡旋波复用传输、天线辐射不灵活问题。

实现本发明目的的思路是：通过对各向异性超表面透镜和极化转换有源超表面反射面的融合设计，实现一种多波束可重构的涡旋场超表面透镜折叠天线。利用口径场叠加原理，解决涡旋场超表面透镜折叠天线在通信系统中不同涡旋波复用传输的问题，且针对不同极化电磁波激励呈现不同的涡旋波辐射。同时在涡旋场超表面透镜折叠天线的反射面中加入PIN二极管，通过改变该反射面PIN二极管的偏置电压从而反射不同极化的电磁波，并经过各向异性超表面透镜产生不同极化的多波束涡旋波，实现整个超表面透镜折叠天线的波束重构设计。