[发明专利]双向多模太赫兹轨道角动量天线

说明书

本发明属于通信技术领域，具体为双向多模轨道角动量波天线。本发明天线由超材料单元经旋转不同角度并周期延拓形成的二维阵列和螺旋超表面组成；螺旋超表面是以中心为轴旋转、高度随着旋转角度增加而阶梯式递增的螺旋相位板，处于天线中心位置；超材料单元的二维阵列分为八个子阵列；这八子阵列依次排布于螺旋超表面周围的八个方位，形成一个方形天线；超材料单元由金属贴片、介质基板和金属地叠合组成；本发明天线可将圆极化方式入射的平面波转换成轨道角动量波，并通过反射和透射方式形成双向的多模轨道角动量波，改变超材料单元的排布方式或者螺旋相位板的高度可以形成不同模式的轨道角动量波，具有多模复用、设计灵活、结构简单等优点。

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及能够产生双向多模太赫兹轨道角动量波的天线。

背景技术

随着当代科技水平的迅速发展，尤其是对于通信领域的需求越发提高，更高的频带利用率和信道容量成为当前热门的发展方向，轨道角动量（Orbital angular momentum,OAM）由于其携带具有相互正交特性的拓扑荷，可以保持各自的相位独立传输，提高了频带利用率的同时也有效提高了波束的抗干扰能力。

当电磁波携带了轨道角动量之后变成为了涡旋电磁波，涡旋电磁波的相位波前会随着传播的方向螺旋扭曲，并且涡旋波束会产生强度低或者为零的中心点。当前产生OAM的研究方法有很多，主要有运用圆形阵列天线，螺旋相位板、螺旋反射面或者超表面，但是阵列天线用于产生太赫兹频段的OAM需要非常复杂的馈电网络，而其他方式在产生单频点的多模太赫兹OAM波上存在局限性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足和缺陷，提供能够产生双向多模太赫兹轨道角动量（OAM）波的天线，也称双向多模太赫兹轨道角动量天线。

本发明提供的能够产生双向多模太赫兹轨道角动量（OAM）波的天线，是将圆极化入射平面波转换为双向多模太赫兹OAM波，其结构如图1所示，该天线由超材料单元经旋转不同角度并周期延拓形成的超材料单元二维阵列和螺旋超表面组成；所述螺旋超表面是以中心为轴旋转、高度随着旋转角度的增加而阶梯式递增的螺旋相位板，为一方形，处于整个天线的中心位置；所述超材料单元的二维阵列分为八个子阵列，各子阵列的大小与螺旋超表面大小匹配；这八子阵列依次排布于螺旋超表面周围的八个方位，从而形成一个方形天线。

所述螺旋超表面，是以中心为轴旋转，高度随着旋转角度的增加而阶梯式递增的螺旋相位板位，螺旋递增的梯度面共八个，相邻的梯度面依次递增相同的高度；即螺旋相位板的八个梯度面，每个梯度面对应的圆心角均为45度；并且，螺旋相位板的八个梯度由低到高同步递增。

所述超材料单元由一层金属贴片、一层介质基板和一层金属地从上向下依次堆叠组成，其结构分解参见图2所示。其中，金属贴片为椭圆形，其中心部位开有叉型（即十字形）凹槽。

进一步地，所述超材料单元二维阵列的八个子阵列，每个子阵列有8*8=64个超材料单元，八个子阵列共有64*8=512个超材料单元。

所述超材料单元二维阵列的八个子阵列，是由超材料单元旋转不同角度后延拓形成；具体地，以金属贴片中心为原点，绕着z轴旋转，在超表面的水平面内旋转一定角度φ，旋转的角度φ与相位变化呈现线性关系，并且在旋转0度到180度时可以覆盖0度到360度的相位变换范围；再将旋转后的单元在超表面的水平面内进行平移延拓相等的间隔，直至形成（覆盖）整个子阵列；所有子阵列组成超材料单元二维阵列；圆极化入射波照射到单元上将会被反射为同旋性的圆极化波。

进一步地：

超材料单元中金属贴片的长轴范围为290-310um，短轴范围为220-230um，金属贴片中心的叉型凹槽长度为185-188um，宽度为13-15um；

金属贴片采用铜箔，厚度为18-20um；

螺旋相位板位（9）的最低阶梯高度为137.5-139um；最高阶梯高度为1101-1104um；