一种基于双向波束调节圆极化OAM波的透射阵列天线
本发明涉及透射阵列天线，具体涉及一种基于双向波束调节产生k波段圆极化oam波的超低轮廓的透射阵列天线。
背景技术：
1、随着人们对无线通信距离要求的越来越远，伴随着卫星通讯的发展，透射阵列天线的各种优势已经在无线通信等领域引起广泛的关注。高指向增益、结构简单、设计灵活并且制作成本较低等特点，意味着透射阵列天线适用于作为远程通信中收发装置一部分；并且现有限的通信容量资源已经愈发紧张，其中轨道角动量由于模式间正交性和无穷性特性对于拓展通信容量具有重要意义。
2、但标准化的透射阵列天线在发展过程中也遇到新的问题，比如，受到孔径尺寸大小和空间相位延迟的影响导致的工作频带较窄；通常情况下，口径面上的相位分布是基于中心频率进行设置，对于偏离中心频率的工作频段会有较严重相位误差值；同时高剖面的传统结构也是重要问题之一，在如今对天线要求不断小型化的趋势下，过高的剖面高度在某些应用场合会受到尺寸限制。
3、针对上述技术问题，为更好解决以上这类问题，有多频段策略、真时延策略等方案被相应提出，来进一步解决工作频带较窄的问题；同时为降低透射阵列与馈源间剖面高度，提出采用低轮廓喇叭馈源的方案；来给透射阵列天线保持较好的性能。
4、然而多频段策略和真时延策略都使单元结构变成更复杂，制造难度加大，生产成本提高；同时采用低轮廓喇叭馈源只能降低一定的剖面高度，对尺寸缩小的能力有限，并不适合应用于一些尺寸受限制的场合。
技术实现思路
1、本发明为解决现有技术的不足，提出一种基于双向波束调节圆极化oam波的透射阵列天线，基于透射阵列板和金属反射板组成的折叠结构设计，本发明具有低剖面高度、圆极化选择和产生涡旋波等特点。
2、为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
3、一种基于双向波束调节圆极化oam波的透射阵列天线，所述天线包括透射阵列板、金属反射板、若干根尼龙柱和层叠圆极化贴片馈源；所述透射阵列板置于金属反射板上方，将尼龙支柱分布在透射阵列板和金属反射板的四周进行固定，支撑透射阵列板和金属反射板的位置摆放；层叠圆极化贴片馈源位于金属反射板几何中心。
4、所述透射阵列板由16×16透射超表面周期性单元排列组成，透射超表面周期性单元包括具有轴向通孔的金属柱、依次堆叠的透射板上金属层、透射上介质基板、第一金属地、黏合层、透射下介质基板以及透射板下金属层；所述透射介质基板中央设置金属柱穿过透射上介质基板、第一金属地、粘合层以及透射下介质基板，且分别与所述透射板上金属层、所述透射板下金属层进行电连接；所述透射超表面周期性单元有三层金属层，由两个相同介电常数的介质基板层隔离，第一金属地和透射下介质基板中间用粘合层进行连接。
5、所述金属反射板由第二金属地贴附在反射介质基板上表面组成。
6、作为优选，所述透射板上金属层和透射板下金属层为正六边形贴片结构，分别对称印制在透射上介质基板和透射下介质基板上下表面，通过金属柱与上介质基板和透射下介质基板进行连接。
7、作为优选，所述金属反射板在不影响入射波振幅下改变入射波的偏振特性。
8、作为优选，所述透射超表面周期性单元的透射板上金属层和透射板下金属层中央处开设有与上下边平行的矩形槽；透射板上金属层沿透射上介质基板对角线向右上平移，透射板下金属层沿透射下介质基板对角线向左上平移。
9、作为优选，所述透射超表面周期性单元对于左旋圆极化波能允许透射，所述透射板上金属层通过绕金属通孔水平旋转360°能够实现360°梯度相位补偿变化；对于右旋圆极化波允许反射，所述透射板下金属层通过绕金属通孔水平旋转180°能够实现360°梯度相位补偿变化。
10、作为优选，所述金属反射板基于圆极化波的旋向进行高效电磁调控，进行自旋角动量自带有的旋向模式相互转换。
11、作为优选，所述述透射阵列天线剖面高度h＝f/4＝1.86λ0，其中λ0为21.5ghz对应的自由空间波长；所述透射阵列板与层叠圆极化贴片馈源间等效焦距为f，其中最佳等效焦距取f＝d，其中d为透射阵列板板长。
12、作为优选，所述透射阵列板和反射阵列板边缘四周延长一周期单元结构长度，提供空间用于尼龙柱固定；所述透射阵列板包括多个成行成列排布的透射超表面周期单元，形状呈现为正方体；所述反射金属板形状与透射阵列板大小相同，反射金属板中央处挖去正方体槽放置层叠圆极化贴片馈源。
13、本发明具有以下的特点和有益效果：
14、采用上述技术方案，第一、新型oam透射阵列天线具有超低剖面、体积小、平面化结构等优点，易于加工和安装，且采用印刷电路工艺制作，加工制作成本降低，利于推广至工程应用。
15、第二、提出的透射超表面周期性单元，采用接收-发射超表面结构，通过铜轴柱连接上下金属贴片，通过旋转上下表面金属贴片分别独立控制透射波和反射波的补偿相位值。
16、第三、提出的折叠结构，与传统透射阵列天线相对比，基于射线追踪原理，电磁波在之间多次反射所传播的路径，等效从馈源发射电磁波所传播路径，使得天线的剖面高度有效降低。
17、第四、提出的透射超表面周期性单元组成的透射阵列板，该阵列板采用双向波束同时调节相位方法，与传统折叠透射阵列天线相对比，在实际剖面高度可以实现更显著降低。
技术特征：
1.一种基于双向波束调节圆极化oam波的透射阵列天线，其特征在于，包括透射阵列板、金属反射板、若干根尼龙柱和层叠圆极化贴片馈源；所述透射阵列板置于金属反射板上方，将尼龙支柱分布在透射阵列板和金属反射板的四周进行固定，以支撑透射阵列板和金属反射板的位置摆放；层叠圆极化贴片馈源位于金属反射板几何中心。
2.根据权利要求1所述的基于双向波束调节圆极化oam波的透射阵列天线，其特征在于，所述透射阵列板由16×16透射超表面周期性单元排列组成，透射超表面周期性单元包括具有轴向通孔的金属柱、依次堆叠的透射板上金属层、透射上介质基板、第一金属地、黏合层、透射下介质基板以及透射板下金属层；
3.根据权利要求1所述的基于双向波束调节圆极化oam波的透射阵列天线，其特征在于，所述金属反射板由第二金属地贴附在反射介质基板上表面组成。
4.根据权利要求2所述的基于双向波束调节圆极化oam波的透射阵列天线，其特征在于，所述透射板上金属层和透射板下金属层为正六边形贴片结构，分别对称印制在透射上介质基板和透射下介质基板上下表面，通过金属柱与上介质基板和透射下介质基板进行连接。
5.根据权利要求1所述的基于双向波束调节圆极化oam波的透射阵列天线，其特征在于，所述金属反射板在不影响入射波振幅下改变入射波的偏振特性。
6.根据权利要求2所述的基于双向波束调节圆极化oam波的透射阵列天线，其特征在于，所述透射超表面周期性单元的透射板上金属层和透射板下金属层中央处开设有与上下边平行的矩形槽；透射板上金属层沿透射上介质基板对角线向右上平移，透射板下金属层沿透射下介质基板对角线向左上平移。
7.根据权利要求6所述的基于双向波束调节圆极化oam波的透射阵列天线，其特征在于，所述透射超表面周期性单元对于左旋圆极化波允许透射，所述透射板上金属层通过绕金属通孔水平旋转360°能够实现360°梯度相位补偿变化；对于右旋圆极化波允许反射，所述透射板下金属层通过绕金属通孔水平旋转180°能够实现360°梯度相位补偿变化。
8.根据权利要求1所述的基于双向波束调节圆极化oam波的透射阵列天线，其特征在于，所述金属反射板基于圆极化波的旋向进行电磁调控，进行自旋角动量自带有的旋向模式相互转换。
9.根据权利要求1所述的基于双向波束调节圆极化oam波的透射阵列天线，其特征在于，所述透射阵列天线剖面高度h＝f/4＝1.86λ0，其中λ0为21.5ghz对应的自由空间波长；所述透射阵列板与层叠圆极化贴片馈源间等效焦距为f，其中最佳等效焦距取f＝d，其中d为透射阵列板板长。
10.根据权利要求1所述的基于双向波束调节圆极化oam波的透射阵列天线，其特征在于，所述透射阵列板和反射阵列板边缘四周延长一周期单元结构长度，提供空间用于尼龙柱固定；所述反射金属板形状与透射阵列板大小相同，反射金属板中央处挖去正方体槽放置层叠圆极化贴片馈源。
11.根据权利要求10所述的基于双向波束调节圆极化oam波的透射阵列天线，其特征在于，所述层叠圆极化贴片馈源包括馈源下介质基板、馈电贴片、激励贴片、馈源上介质基板、第一寄生方贴片、第二寄生方贴片和馈电口；
12.根据权利要求11所述的基于双向波束调节圆极化oam波的透射阵列天线，其特征在于，所述切角馈电贴片为一个六边形和一个矩形构成，矩形贴附于六边形的一边，且在位于馈电口正上方。
技术总结
本发明公开了一种基于双向波束调节圆极化OAM波的透射阵列天线，包括透射阵列板、金属反射板、若干根尼龙柱和层叠圆极化贴片馈源；所述透射阵列板置于金属反射板上方，将尼龙支柱分布在透射阵列板和金属反射板的四周进行固定，支撑透射阵列板和金属反射板的位置摆放；层叠圆极化贴片馈源位于金属反射板几何中心。本发明具有超低剖面、体积小、平面化结构等优点，易于加工和安装，且采用印刷电路工艺制作，加工制作成本降低，利于推广至工程应用。
技术研发人员：代喜望,李泽,阮韩鹏,俞伟良,王文磊,罗国清
受保护的技术使用者：杭州电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23