一种基于电磁超表面的反射透射双功能共口径涡旋波天线

本发明属于涡旋电磁波天线，具体涉及一种基于电磁超表面的反射透射双功能共口径涡旋波天线。

背景技术：

1、涡旋电磁超表面天线是一种由超表面结构和馈源组成的产生涡旋电磁波的装置。电磁超表面天线是二维形式的电磁超材料，其特有的二维平面结构不仅保留了电磁超材料可以调控电磁波相位、极化以及幅度等功能，也在很大程度上降低了加工制造难度。携带轨道角动量的涡旋电磁波与传统的电磁波相比多了螺旋相位因子坡印廷矢量不再沿着传播轴，而是绕着传播轴旋转前进。模式数为l的涡旋波，绕轴一圈相位变化2πl。不同模式数的涡旋电磁波彼此正交，因此可以在终端分离出不同模式数的涡旋电磁波，实现模式复用。不同模式数的涡旋波之间固有的正交性使其在雷达隐身、通信、雷达探测、雷达成像以及目标识别等领域均有广泛的应用。现如今，涡旋电磁超表面天线的发展日新月异，主要可分为反射型涡旋超表面天线和透射型超表面天线。目前，反射型涡旋电磁超表面天线大多数由金属贴片、介质基板、空气层以及地板组成。其中金属贴片和介质基板与入射的电磁波产生谐振，空气层的作用为增加反射相移的范围，地板起到反射电磁波的作用。透射型涡旋电磁超表面的设计步骤较反射型更加复杂，不仅需要考虑透射相移的范围，还需要考虑透射幅度的大小，实现较高的传播效率。另外，除了超表面可以产生涡旋波之外，螺旋相位板，圆形阵列天线等也可以产生涡旋波。使用超表面产生涡旋波的方法较其他方法相比，降低了制造难度以及加工成本。传统的超表面天线通常只能产生单一模式数的涡旋波，并不能产生多模式数的涡旋电磁波，这在很大程度上缩小了其使用范围。并且，通常涡旋电磁超表面天线只能是单一的反射型或者是单一的透射型，没有实现将俩者相结合，只能在一半空间内实现电磁波的传输，而并不能实现全空间的传播。透射型或反射型的超表面，即以超表面所在平面为界，只调控透射半空间或反射半空间的电磁场，留下另一半空间未利用。而在低效率(幅度效率<0.5)的超表面器件设计中，由于多模同时存在，例如在反射模式或透射模式中的共极化/交叉极化电磁场，在超表面透射和反射半空间只能实现同一种功能，不能对透射半空间和反射半空间进行独立调控，实现不同功能。因此，设计一种多模式数，结构简单，全空间传播且涡旋波模式纯度较高的共口径涡旋天线是目前需要解决的问题。

技术实现思路

1、为了使涡旋电磁波天线实现多模式数，全空间传播，本发明提出一种基于电磁超表面的反射透射双功能共口径涡旋波天线。

2、一种基于电磁超表面的反射透射双功能共口径涡旋波天线包括若干涡旋波天线单元2和馈源喇叭3；所述若干涡旋波天线单元2按照涡旋所需补偿相位排列；所述涡旋波天线单元2包括反射部件21和透射部件23，所述反射部件21包括依次连接的反射上层基板212、反射下层基板214和泡沫层215，反射上层基板212的顶面设有小双箭头贴片211，所述反射下层基板214设有大双箭头贴片213；所述透射部件23包括依次连接的透射上层基板233、透射中层基板234、透射下层基板235和方框贴片232，所述透射上层基板233的顶面、透射中层基板234的顶面、透射下层基板235的顶面和方框贴片232的顶面中部分别贴设有椭圆贴片231；所述小双箭头贴片211、大双箭头贴片213、方框贴片232和椭圆贴片231均为金属贴片；

3、改进在于：还包括极化栅部件22，极化栅部件22包括金属极化栅221和介质基板222，介质基板222为聚四氟乙烯f4b高频板；所述介质基板222的一侧面上均布平行蚀刻金属条构成金属极化栅221；

4、所述反射部件21固定设于极化栅部件22的金属极化栅221一侧的介质基板222上，所述透射部件23固定设于极化栅部件22的介质基板222底面；

5、所述金属极化栅221对于x极化波是一层地板，用于构成反射型超表面的地面，而相对于y极化电磁波相当于一个过滤器，用于透射型超表面涡旋波的形成；所述反射透射双功能共口径涡旋波天线能够实现全空间的电磁辐射。

6、进一步的技术方案如下：

7、所述金属极化栅221中相邻金属条之间的间隙为0.1mm，所述金属条的长度l1为14.25mm，宽度w1为0.4mm。

8、所述介质基板222的厚度为0.5mm。

9、所述小双箭头贴片211和大双箭头贴片213的大小比列为0.64。

10、所述泡沫层215的厚度为3mm。

11、所述椭圆贴片231的长轴为固定值10mm，短轴为1-10mm，通过改变短轴与长轴的比例实现调节透射相位和透射幅度。

12、所述方框贴片232中，最外侧金属框边缘长度为14.4mm，内侧金属框长度为14mm。

13、本发明的有益技术效果体现在以下方面：

14、1、本发明是共口径反射、透射双功能涡旋电磁超表面天线。较传统单一的反射、透射涡旋电磁超表面天线相比能够实现全空间的电磁辐射，并且解决了模式数单一的问题。创新性的提出采用极化栅结构作为反射、透射部件之间的分离部件。在x极化波激励时，极化栅相当于地板，能够实现电磁波的全反射，减少了能量的损耗。当y极化波激励时，可以通过，直接作用于透射部件，通过透射部件的相位补偿，产生另一种模式数的涡旋波。

15、2、反射部件中的贴片为双层“双箭头”型，大小成特定比例，所产生的反射相移覆盖范围不仅能够达到360°，且反射相位曲线较传统的单层结构而言更加平缓，对实际加工的精度要求更低。

16、3、透射部件为三层介质基板和四层金属贴片层。降低了损耗，通过改变“椭圆型”贴片短轴和长轴的比例来调节透射相位和透射幅度，透射相位范围达到了334°，透射幅度大于0.85。所设计的共口径反射、透射双功能涡旋电磁超表面天线的各项指标表明了该天线在通信复用、雷达探测等领域有广泛的应用潜力。

技术特征：

1.一种基于电磁超表面的反射透射双功能共口径涡旋波天线，包括若干涡旋波天线单元(2)和馈源喇叭(3)；所述若干涡旋波天线单元(2)按照涡旋所需补偿相位排列；所述涡旋波天线单元(2)包括反射部件(21)和透射部件(23)，所述反射部件(21)包括依次连接的反射上层基板(212)、反射下层基板(214)和泡沫层(215)，反射上层基板(212)的顶面设有小双箭头贴片(211)，所述反射下层基板(214)设有大双箭头贴片(213)；所述透射部件(23)包括依次连接的透射上层基板(233)、透射中层基板(234)、透射下层基板(235)和方框贴片(232)，所述透射上层基板(233)的顶面、透射中层基板(234)的顶面、透射下层基板(235)的顶面和方框贴片(232)的顶面中部分别贴设有椭圆贴片(231)；所述小双箭头贴片(211)、大双箭头贴片(213)、方框贴片(232)和椭圆贴片(231)均为金属贴片；

2.根据权利要求1所述一种基于电磁超表面的反射透射双功能共口径涡旋波天线，其特征在于：所述金属极化栅(221)中相邻金属条之间的间隙为0.1mm，所述金属条的长度l1为14.25mm，宽度w1为0.4mm。

3.根据权利要求1所述一种基于电磁超表面的反射透射双功能共口径涡旋波天线，其特征在于：所述介质基板(222)的厚度为0.5mm。

4.根据权利要求1所述一种基于电磁超表面的反射透射双功能共口径涡旋波天线，其特征在于：所述小双箭头贴片(211)和大双箭头贴片(213)的大小比列为0.64。

5.根据权利要求1所述一种基于电磁超表面的反射透射双功能共口径涡旋波天线，其特征在于：所述泡沫层(215)的厚度为3mm。

6.根据权利要求1所述一种基于电磁超表面的反射透射双功能共口径涡旋波天线，其特征在于：所述椭圆贴片(231)的长轴为固定值10mm，短轴为1-10mm，通过改变短轴与长轴的比例实现调节透射相位和透射幅度。

7.根据权利要求1所述一种基于电磁超表面的反射透射双功能共口径涡旋波天线，其特征在于：所述方框贴片(232)中，最外侧金属框边缘长度为14.4mm，内侧金属框长度为14mm。

技术总结
本发明涉及一种基于电磁超表面的反射透射双功能共口径涡旋波天线，属于涡旋电磁波天线技术领域。包括若干涡旋波天线单元和馈源喇叭；涡旋波天线单元包括反射部件和透射部件；还包括由金属极化栅和介质基板构成的极化栅部件，介质基板的一侧面上均布平行蚀刻金属条构成金属极化栅；反射部件固定设于金属极化栅一侧的介质基板上，透射部件固定设于介质基板的底面；金属极化栅对于X极化波是一层地板，用于构成反射型超表面的地面，而相对于Y极化电磁波相当于一个过滤器，用于透射型超表面涡旋波的形成。本发明的反射透射双功能共口径涡旋波天线能够实现全空间的电磁辐射。

技术研发人员：聂丽瑛,王异玄,姜兆能,郑阳,沙永信,齐吉全,孟帅,梁辉
受保护的技术使用者：合肥工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12