[发明专利]一种毫米波太赫兹波多模轨道角动量波束扫描天线及方法

权利要求书

1.一种基于人工表面等离激元的OAM模式波束扫描天线，其特征在于，所述OAM模式波束扫描天线包括：第一波导馈电装置、SSP传输线、辐射阵列、第二波导馈电装置和阵列支撑架；其中，SSP传输线的两端分别同轴连接第一波导馈电装置和第二波导馈电装置；辐射阵列固定在阵列支撑架上，辐射阵列同轴套在SSP传输线外；第一和第二波导馈电装置的两端分别同轴连接同轴线；SSP传输线为螺旋光栅，即在圆柱的外表面刻蚀周期结构的深度一致的螺旋状的矩形槽，周期为d，槽宽为a，内半径和外半径分别为R₁和R₂，外半径R₂与同轴线的内导体的半径相同；第一波导馈电装置包括外导体和内导体，由依次同轴连接的同轴线连接段、过渡段、同轴圆柱形深度渐变螺旋光栅和敞口金属盖板构成；外导体的外径均匀一致；同轴线连接段的外导体为半径均匀的圆筒状，内导体为圆柱形，外导体的内半径和内导体的半径均与同轴线的外导体的内半径和内导体的半径相同；过渡段的外导体的内半径逐渐倾斜变小，内导体为圆柱形，内导体的半径均与同轴线的内导体的半径相同；同轴圆柱形深度渐变螺旋光栅的外导体为半径均匀的圆筒状，同轴圆柱形深度渐变螺旋光栅的外导体的内半径与过渡段的外导体的末端的内半径相同，内导体为圆柱形深度渐变螺旋光栅，即在圆柱的外表面刻蚀周期性的深度逐渐变深的螺旋状的矩形槽，矩形槽的周期与SSP传输线的螺旋光栅的结构相同，圆柱的半径与同轴线的内导体的半径相同，圆柱形深度渐变螺旋光栅的内半径渐变减小，最小值与SSP传输线的螺旋光栅的内半径相同；敞口金属盖板的外导体的内半径逐渐变大，直至与外半径一致，内导体为螺旋光栅，敞口金属盖板的螺旋光栅的结构与SSP传输线的螺旋光栅除长度外的结构相同；第二波导馈电装置包括外导体和内导体，由依次同轴连接的敞口金属盖板、同轴圆柱形深度渐变螺旋光栅、过渡段和同轴线连接段构成，除同轴圆柱形深度渐变螺旋光栅和敞口金属盖板的内导体的螺旋方向外，第二波导馈电装置的结构与第一波导馈电装置的结构对称，第一波导馈电装置的同轴圆柱形深度渐变螺旋光栅和敞口金属盖板的内导体的螺旋旋转方向以及第二波导馈电装置的同轴圆柱形深度渐变螺旋光栅和敞口金属盖板的内导体的螺旋旋转方向，与SSP传输线的螺旋旋转方向一致，周期一致，并相互连接为一整体；辐射阵列为多个周期性的金属圆环组成的圆环阵列，辐射阵列的周期大于螺旋光栅的周期；TEM模式经由同轴线，传输至第一波导馈电装置；TEM模式经同轴线连接段传输至过渡段；过渡段压缩TEM模式，从而提高TEM模式向SSP的耦合效率，传输至同轴圆柱形深度渐变螺旋光栅；同轴圆柱形深度渐变螺旋光栅将压缩后的TEM模式逐渐过渡到SSP模式；SSP模式经敞口金属盖板释放至SSP传输线；SSP传输线为螺旋光栅，是一种周期结构，根据周期结构弗洛奎特定理，螺旋光栅结构中支持的本征电磁波都携带有轨道角动量模式，因此螺旋光栅表面支持传播的SSP模式携带OAM模式，但SSP模式被局缚在SSP传输线的表面，只能沿着SSP传输线的表面传播，而无法形成自由空间辐射；SSP模式受到加载在SSP传输线外的辐射阵列的衍射作用，SSP模式的波矢叠加上衍射所产生的谐波波矢，产生频谱搬移效应；叠加后的波矢存在小于自由空间波矢的部分，从而这部分波矢将对应频率的SSP模式转换为自由空间辐射波；由于SSP模式携带有OAM模式，从而转化成自由空间辐射波的电磁分布也携带OAM模式，即得到了向自由空间辐射的OAM模式；SSP模式由第二波导馈电装置的敞口金属盖板接收，经同轴圆柱形深度渐变螺旋光栅转变为TEM模式，再经过渡段和同轴线连接段输出至同轴线，将结构中未辐射出的能量输出，同时减少系统中的反射，避免反射引起系统损耗；选择工作频段为辐射区只有一个辐射模式对应的频段，从而提高OAM模式的纯度；进一步，在同一个工作频段内，辐射方向与工作频率一一对应，从而通过控制工作频率操控OAM模式的辐射方向；并且，轨道角动量模式的旋转方向与螺旋光栅的旋转方向一致。

2.如权利要求1所述的OAM模式波束扫描天线，其特征在于，所述辐射阵列的周期为p，圆环的内环和外环半径大小分别为R₃和R₄，满足R₂＜R₃≤2R₂，且p≥3d。