[发明专利]一种基于超材料的涡旋天线

说明书

本发明提供一种基于超材料的涡旋天线，解决了阵列天线需要复杂的馈电结构，旋相板无法实现多个旋相板叠加的技术问题，包括喇叭天线2，在距离喇叭天线2口面一定距离(大于半个工作波长)处设有超材料涡旋板，超材料涡旋板是圆形平板结构，且其轴心位于天线喇叭的中轴线上，超材料涡旋板由被均匀分割的圆心角相等的扇区拼接组成，每个扇区在厚度方向上是由板A和板B交替且周期排布构成的，板A的折射率大于板B,可以表示为(AB)^N，N(≥3)为周期数，每个扇区单个周期板A和板B的厚度之和均相同，但各个扇区板A的厚度互不相等且板B的厚度互不相等，可以广泛应用于无线通讯技术领域。

技术领域

本发明属于无线通讯技术领域，具体地说是涉及一种基于超材料的涡旋天线。

背景技术

涡旋天线，是一种能够发射和接受涡旋电磁波的新型天线，涡旋电磁波因携带有轨道角动量(OAM)，因此体现出了传统的强度、相位、频率、极化等自由度之外，还引入了一种新型自由度，对于某一频率的电磁波，理论上可扩展为无穷多个频率相同但携带不同轨道角动量的涡旋电磁波，这种涡旋电磁波具有不同的本征模式，并且近年来其在雷达成像、无线通信等研究领域展现出重要的应用潜力，所以引起国内外学者的广泛关注，具有很高的研究价值和应用前景。

过往提出的涡旋天线多采用阵列天线结构和旋相板两种结构来实现，阵列天线是使用复杂的馈电系统，使得阵列天线的每个单元发射或接收不同相位的电磁波，通过阵列合成涡旋电磁波，这种结构需要复杂的馈电结构，设计复杂，加工难度大。另一种方式是利用旋相板，平行电磁波照射到螺旋结构的反射面后，实现相位的调制，从而使平行电磁波转换成涡旋电磁波，旋相板因为需要特殊的螺旋结构，旋相板高度随旋转角度逐渐增加，对加工精度要求高，加工难度大，同时一种旋相板只能决定一种旋转相位，由于逐渐增高的旋转结构，无法实现多个旋相板的叠加，相位可调性差。

因此，需要发明一种结构简单、加工便捷、灵活可调的的涡旋天线。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出了一种将圆形的平板均匀划分为不同的扇区，通过控制不同折射率材料层的厚度使每个扇区的等效折射率存在差异从而实现对电磁波相位的调控进而获得一种能激发出涡旋电磁波的天线。

为此，提供一种基于超材料的涡旋天线，包括喇叭天线，在距离喇叭天线口面一定距离(大于半个工作波长)处设有超材料涡旋板，超材料涡旋板是圆形平板结构，且其轴心位于天线喇叭的中轴线上，超材料涡旋板由被均匀分割的圆心角相等的扇区拼接组成，每个扇区在厚度方向上是由板A和板B交替且周期排布构成的，板A的折射率不同于板B,可以表示为(AB)N，N(≥3)为周期数，每个扇区单个周期板A和板B的厚度之和均相同，但各个扇区板A的厚度互不相等且板B的厚度互不相等。

优选的，超材料涡旋板在厚度方向上可多块叠加组装使用，实现多种模式的涡旋电磁波的激发。

优选的，超材料涡旋板由18个扇区拼接组成，每个扇区板A和板B交替周期排列，周期数为3，板A的折射率为2，板B的折射率为3，每个扇区单个周期板A和板B的厚度之和均为3mm，且这18个扇区板A的厚度互不相同，板B的厚度互不相同。

本发明的有益效果是：

(1)本发明为一种基于超材料的涡旋天线，圆形的超材料涡旋板是由被均匀分割的圆心角相等的扇区拼接构成，每个扇区在厚度方向由板A和板B交替周期排列叠成且板A和板B的厚度之和相等，保证拼接的圆形超材料涡旋板始终为平板结构，便于实现多个超材料涡旋板厚度方向的罗列叠加，但由于各个扇区的板A厚度互不相同，故而板B的厚度也互不相同，板A的折射率不同于板B，则各个扇区整体的等效折射率会有差异,就会实现各个扇区对电磁波的相位调控能力不同，所以此种超材料涡旋板可以激发涡旋电磁波。

(2)拼接的圆形超材料涡旋板通过简单改变单一扇区内板A和板B的厚度或板A和板B的排列周期以及不同扇区的排列方式，均可以实现不同的角动量信息，从而实现不同的涡旋形式。