一种产生双频OAM涡旋波的反射型超表面装置

一种产生双频oam涡旋波的反射型超表面装置
技术领域
1.本发明涉及通信系统中的天线技术领域，尤其涉及一种产生双频oam涡旋波的反射型超表面装置。


背景技术：

2.随着现代社会技术的发展和无线通信用户数量的不断增加，有限的带宽范围逐渐限制了无线通信技术的发展。轨道角动量由于模式之间相互正交以及模式的无限性，对于扩大信道容量具有重要的意义，因而引起了研究者的广泛关注。相较于螺旋相位板尺寸过大，贴片阵列天线复杂的馈电网络，超表面阵列生成oam涡旋波束无需复杂的馈电网络，且结构简单、具有低剖面、可以灵活的控制波前、以及易于形成oam涡旋波束等优点而被研究者所看好。已被广泛应用于聚焦、异常折射与反射、rcs缩减、多频和多功能天线等等。
3.尽管现在基于超表面生成oam涡旋波已有丰硕的成果，但部分还停留在对单一频率情况下超表面相位的调控，且已出现的结构相对复杂，使用两层及以上的金属层来实现360
°
相位覆盖。


技术实现要素：

4.为解决现有技术的缺点和不足，提供一种产生双频oam涡旋波的反射型超表面装置，其能够在8ghz和18ghz频率处均产生oam涡旋电磁波。
5.为实现本发明目的而提供的一种产生双频oam涡旋波的反射型超表面装置，包括有馈源及实现反射功能的辐射结构，所述馈源设置在辐射结构的上方，所述辐射结构包括有自上而下依次设置的一层介质基板以及金属接地板，所述介质基板与金属接地板之间留有一层空气层，所述介质基板的顶层设置m
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n个呈阵列排布的金属贴片单元，所述金属贴片单元由两组大小不同的加载相位延迟线的内部c型环、外部c型环组成，所述内部c型环、外部c型环均设置有两个，并且关于中心对称，所述内部c型环与外部c型环分别工作于不同的频率。
6.作为上述方案的进一步改进，位于所述内部c型环上的内部相位延迟线逆时针延伸，内部相位延迟线的宽度比内部c型环的宽度窄。
7.作为上述方案的进一步改进，位于所述外部c型环上的外部相位延迟线逆时针延伸，外部相位延迟线的宽度与外部c型环的宽度一致。
8.作为上述方案的进一步改进，所述金属贴片单元在介质基板上呈圆形或者方形排布。
9.本发明的有益效果是：
10.与现有技术相比，本发明提供的一种产生双频oam涡旋波的反射型超表面装置，具体有如下有益效果：
11.1.该反射型超表面装置设计方案灵活，作为验证，本发明给出了在8ghz和18ghz的入射波照射下生成l＝ 1模式的oam涡旋电磁波的实施例；
12.2.该反射型超表面装置一层介质基板与金属接地板，其拥有超过360
°
的相位覆盖范围和较大的反射幅值，降低了加工难度和成本；
13.3.本发明的内部c型环与外部c型环之间耦合较小，相位调节可独立控制；
14.本方案中的反射型超表面装置，具有平面化的结构，易于加工和装配，同时具有低剖面的特点。
附图说明
15.以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明，其中：
16.图1是本发明其中一个实施例的三维结构示意图；
17.图2(a)、图2(b)分别是本发明其中一个实施例的辐射结构的顶层结构图及侧视示意图；
18.图3是本发明其中一个实施例的辐射单元工作在8ghz时辐射单元的反射幅值和相移曲线图；
19.图4是本发明其中一个实施例的辐射单元工作在18ghz时辐射单元的反射幅值和相移曲线图；
20.图5(a)、图5(b)是本发明其中一个实施例在8ghz和18ghz处超表面阵列各位置所需的相位补偿量；
21.图6是本发明其中一个实施例中的双频超表面反射阵列的顶层实际拓扑结构；
22.图7(a)、图7(b)分别是本发明其中一个实施例中的超表面阵列在8ghz处生成l＝ 1模式的oam涡旋电磁波的电场相位分布图及三维方向图；
23.图8(a)、图8(b)分别是在本发明其中一个实施例中的超表面阵列在18ghz处生成l＝ 1模式的oam涡旋电磁波的电场相位分布图及三维方向图；
24.其中：1-馈源，2-介质基板，3-金属贴片单元，4-金属接地板，5-内部相位延迟线，6-外部相位延迟线，7-内部c形环，8-外部c形环。
具体实施方式
25.本实施例中的x轴为水平方向，y轴为竖直方向。
26.如图1、图2(a)及图2(b)所示，本发明提供的一种产生双频oam涡旋波的反射型超表面装置，本发明提供的一种产生双频oam涡旋波的反射型超表面装置，包括有馈源1及实现反射功能的辐射结构，馈源设置在辐射结构的上方，辐射结构包括有自上而下依次设置的一层介质基板2、一层空气层以及金属接地板4，介质基板2的顶层设置m
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n个呈阵列排布的金属贴片单元3，金属贴片单元3由两组大小不同的加载相位延迟线的内部c型环7、外部c型环8组成，内部c型环7、外部c型环8均设置有两个，并且关于中心对称，内部c型环7与外部c型环8分别工作于不同的频率。
27.进一步，位于内部c型环7上的内部相位延迟线5逆时针延伸，内部相位延迟线5的宽度比内部c型环7的宽度窄。位于外部c型环8上的外部相位延迟线6逆时针延伸，外部相位延迟线6的宽度与外部c型环8的宽度一致。
28.馈源1产生电磁波照射超表面阵列；超表面阵列的各个辐射单元的内部相位延迟线5与外部相位延迟线6尺寸可调节，用来产生该位置所需的相移补偿。
29.内部相位延迟线5与内部c形环7之间由宽度为0.25mm的金属贴片连接，外部相位延迟线6与外部c形环8之间由宽度为0.5mm的金属贴片连接，金属贴片单元3印刷在厚度h1＝1mm，周期d＝14mm的f4b(εr＝2.25)介质基板上，空气层的厚度h2＝2mm，图2中金属贴片单元3的相关参数最优时为：a1＝1.1mm，a2＝2.5mm，a3＝3.5mm，a4＝5mm，b1＝0.9mm，b2＝0.5mm，b3＝1mm，w1＝0.5mm，w2＝0.6mm。馈源1在其相位中心距离超表面反射阵列300mm的高度照射超表面。阵列的长宽均为18.2cm，超表面阵列剖面高度为0.08λ0(λ0是8ghz时自由空间中的波长)。
30.本实施例中馈源1可以选用低旁瓣、低后瓣的微带天线或喇叭天线等天线类型。
31.进一步，当入射波照射超表面时，通过调节内部c型环7与外部c型环8的相位延迟线的长度，可以调控产生双频oam波。参阅图3，工作频率在8ghz时，外部相位延迟线对应的圆心角φ2在25
°
～140
°
之间变换，所对应反射幅度和相移范围曲线。参阅图4，工作频率在18ghz时，内部相位延迟线对应的圆心角φ1在5
°
～165
°
之间变换，所对应反射幅度和相移范围曲线。在两频率下均可达到360
°
的相移覆盖范围。
32.辐射单元3周期性地排列在介质基板2上组成阵列结构，其阵列可为圆形，矩形等结构。
33.辐射单元所需的相位补偿量与该辐射单元在介质基板2的上表面的位置相关，根据生成不同模式的oam涡旋波计算出不同的相位补偿。
34.本发明的反射型超表面oam天线以阵列中心为坐标原点，产生oam电磁波的原理可用公式解释为其中k0表示自由空间中的波数，表示喇叭天线相位中心矢量，表示第(m,n)单元的位置矢量,表示oam涡旋波束的方向，l表示oam涡旋波的模式数。
35.在本实例中，将13
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13个辐射单元周期排列组成双频oam涡旋波的反射型超表面，超表面的大小为182mm
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182mm。首先计算出在8ghz处生成l＝ 1模式的涡旋波所需的相位补偿量，如图5(a)所示，再通过图3所示的相移曲线将相位补偿量转换为加载传输线的长度所对应的圆心角的大小得到外部结构实际尺寸大小。采用同样的方法可以得到在18ghz处生成l＝ 1模式涡旋波的单元大小，得到图5(b)与内部结构实际尺寸大小。将内部结构与外部结构排列组合后最终形成双频oam涡旋波的反射型超表面，如图6所示。使用喇叭天线在相位中心距离超表面反射阵列300mm处进行仿真，图7(a)、图7(b)分别是本发明其中一个实施例中的超表面阵列在8ghz处生成l＝ 1模式的oam涡旋电磁波的电场相位分布图及三维方向图；图8(a)、图8(b)分别是在本发明其中一个实施例中的超表面阵列在18ghz处生成l＝ 1模式的oam涡旋电磁波的电场相位分布图及三维方向图；通过观察电场相位图，可知在8ghz和18ghz处均生成了l＝ 1的oam涡旋波束。从三维方向图可以看出，在8ghz和18ghz处所生成的oam涡旋波束均有较为明显的中空特征，即产生了由相位奇点引起的零强度中心。8ghz时l＝ 1模和18ghz时l＝ 1模的最大增益分别为15.7dbi和21.6dbi。因此，所设计的反射型超表面可以在两个频段内同时生成特征明显的oam涡旋电磁波。
36.以上实施例不局限于该实施例自身的技术方案，实施例之间可以相互结合成新的实施例。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明
精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明技术方案的范围内。