[发明专利]一种宽带双极化多波束轨道角动量天线及通信设备

说明书

本发明公开了一种宽带双极化多波束轨道角动量天线及通信设备，包括，馈源、介质基板、金属地板及超表面结构，所述金属地板设置在介质基板的下方，所述超表面结构设置在介质基板的上表面，馈源设置在超表面结构的正上方，所述超表面结构包括N个呈周期性阵列排布的辐射单元，所述辐射单元包括L型贴片及寄生贴片，N个辐射单元的L型贴片及寄生贴片的尺寸不同。本发明提供的平面反射型轨道角动量天线，具有宽带、双极化、高增益、多波束的特点，同时本发明所使用的方法，可用于产生任意模式、任意波束个数、任意波束方向的涡旋波。

技术领域

本发明涉及通信领域，具体涉及一种宽带双极化多波束轨道角动量天线及通信设备。

背景技术

近年来，轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)由于其拥有无限个正交模式引起了学术界的关注，可有效缓解频谱资源紧张，并扩大通信容量及提升通信速率。自2007年起轨道角动量被引入微波频段，使轨道角动量被应用到实际成为了可能。轨道角动量以螺旋形式的等相位面存在于电磁波中，故被称为涡旋波，产生涡旋波的模式由一周所转的总相位与2π之比所确定，理论上模式数可为任意值。

产生涡旋波的核心步骤便是把传统的平面等相位面转化为螺旋型等相位面，到目前为止产生OAM的方法有很多，其中包括单个贴片、螺旋相位板、介质谐振器、均匀圆形阵列、人工电磁超表面。单个贴片产生的轨道角动量的波束存在增益小的缺点。螺旋介质板及介质谐振器存在加工困难的缺点。均匀圆形阵列存在着馈电网络复杂、天线损耗较大的缺点。人工电磁超表面通过使用喇叭以空馈的形式馈电，降低了设计的难度，并易获得较高的天线增益。

现阶段可形成的人工电磁超表面的涡旋波天线形式较为单一，以宽带涡旋波天线、双极化涡旋波天线、多波束涡旋波天线为主。很少有设计能够实现宽带、双极化、多波束、高增益一体化的多功能涡旋波。OAM的模式复用与极化复用结合对未来大容量通信有着很开阔的应用前景，因此对多功能涡旋波天线的设计是十分必要的。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种宽带双极化多波束轨道角动量天线及通信设备，本发明能够同时产生水平及垂直极化宽带高增益的涡旋波束。

本发明采用如下技术方案：

一种宽带双极化多波束轨道角动量天线，包括馈源、介质基板、金属地板及超表面结构，所述金属地板设置在介质基板的下方，所述超表面结构设置在介质基板的上表面，馈源设置在超表面结构的正上方，所述超表面结构包括N个呈周期性阵列排布的辐射单元，所述辐射单元包括L型贴片及寄生贴片，N个辐射单元的尺寸不同，即L型贴片及寄生贴片的尺寸均不同。

进一步，所述辐射单元包括四个L型贴片及四个寄生贴片，所述四个L型贴片关于介质基板中心点对称，四个寄生贴片设置在四个L型贴片的周围，具体包括两个垂直方向矩形贴片及两个水平方向矩形贴片。

进一步，所述馈源为喇叭天线、微带天线或阵列天线。

进一步，阵列排布的辐射单元构成圆形阵列或多边形阵列。

进一步，馈源的入射波极化方向为45°。

进一步，所述金属地板与介质基板之间间隔空气层。

进一步，所述L型贴片包括相互垂直的水平方向贴片及竖直方向贴片，水平方向贴片与竖直方向贴片尺寸不同。

进一步，四个L型贴片的尺寸相等。

进一步，所述辐射单元产生至少一个波束，相位表示为其中，表示为第k个波束的方向，表示单元到整个超表面的位置矢量，介质基板的中心为原点时所述辐射单元的相对坐标，l_k表示产生的第k个涡旋波的模态数。

一种通信设备，包括所述的一种宽带双极化多波束轨道角动量天线。

本发明的有益效果：