基于阵列超表面的轨道角动量波束可切换卡塞格伦天线

本发明属于天线、雷达探测，特别涉及一种产生射频轨道角动量(oam)波束的卡塞格伦天线。

背景技术：

1、随着通信技术的飞速发展，以及对5g通信技术的不断深入研究，现代通信技术对于通信容量要求变得越来越高。目前已经有非常多的方法来提高通信容量，比如频分复用、时分复用等等各种方法，但是频谱资源仍然十分短缺，仍然迫切需要能够提高频谱利用率和信道容量的方法。早期的oam被广泛用于光通信，近些年有学者将oam引入射频领域，理论上oam涡旋波束具有无限多的模态，并且不同模态之间相互正交。如果将oam的多模态特性与电磁场固有的极化特性相结合，能够成倍地提高通信容量，这为提高频谱利用率带来了巨大的应用前景。

2、oam是一种电磁场基本特性，oam波束存在相位奇点，oam波束的发散角随着传播距离逐渐增大，不利于远距离通信，所以迫切需要能够产生高增益，低发散角的高准直性oam波束的天线。传统产生oam波束的产生方式包括均匀圆阵列天线或者螺旋相位板等。均匀圆阵列天线需要设计馈电网络或者采用移相器等，不仅设计方案复杂，而且需要考虑每个阵源之间的相位关系和耦合情况，难以产生高准直性波束。而螺旋相位板结构产生的oam波束扩散大，方向性较差。对于远距离点对点通信系统来说，高增益、易于集成的天线是必不可少的，反射面天线是满足高增益要求的一个很好的候选天线，但是由于单反射面天线的馈电结构放置在反射天线的前端，难以馈电且会有较大遮挡，因此一般选取卡塞格伦天线。

3、目前已有很多利用超表面结构产生oam波束的方法，无论是反射式或者透射式超表面，天线的高增益都来源于口径，只利用超表面结构设计高增益的oam天线，需要非常多的单元，极大地增加了设计难度和成本。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于阵列超表面的轨道角动量波束可切换卡塞格伦天线。将传统卡塞格伦天线副反射面的旋转双曲面结构替换成阵列超表面形式，通过设计新型的副反射面支撑结构，将设计的不同阵列超表面固定在副反射面支撑结构表面，通过旋转副反射面支撑结构就可以切换oam的模态。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：本发明提供了一种基于阵列超表面的轨道角动量波束可切换卡塞格伦天线，包括依次布置的正交模耦合器、过渡波导、主反射面、波纹喇叭、主反射面支撑结构、副反射面和副反射面支撑结构。波纹喇叭的相位中心置于副反射面的虚焦点处，同时要求副反射面的实焦点位于主反射面的焦点处。在副反射面支撑结构顶部正方体的四个侧面分别固定具有不同oam模态的阵列超表面，通过旋转副反射面支撑结构来切换波束形状。

3、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

4、本发明的波束可切换卡塞格伦天线，采用阵列超表面结构设计副反射面，阵列超表面可以设计不同的排布方式。基于阵列超表面的副反射面结构，能够设计成具有不同oam模态的形状，相比于更换主反射面来产生oam波束，更加便于加工。通过旋转副反射面支撑结构，能够在不同的模态间切换，在不增加成本的同时保证了高增益。

5、本发明正交模耦合器的工作频段为130ghz–180ghz，具有大带宽，低损耗的特点。本发明主反射面仍然为传统的旋转抛物面，保证了所设计的天线结构能利用较小的超表面结构产生高增益oam波束的效果。

6、此外，本发明的波束可切换卡塞格伦天线相比于同类天线系统复杂度低、天线成本低、加工难度小，且本发明的波束可切换卡塞格伦天线对oam在天线系统和通信领域中应用具有推动作用。

技术特征：

1.一种基于阵列超表面的轨道角动量波束可切换卡塞格伦天线，其特征在于，包括依次布置的正交模耦合器(1)、过渡波导(2)、主反射面(3)、波纹喇叭(4)和副反射面(6)；波纹喇叭(4)的相位中心置于副反射面(3)的虚焦点处，副反射面(6)的实焦点位于主反射面的焦点处；所述副反射面(6)设置于副反射面支撑结构(7)的顶部不同侧面上，通过旋转副反射面支撑结构(7)来切换波束形状；所述正交模耦合器(1)结合波纹喇叭(4)作为馈源，通过过渡波导(2)将电磁场传导到波纹喇叭(4)，波纹喇叭(4)出射的场照射到副反射面(6)，通过副反射面(6)对反射场进行相位补偿，副反射面(6)的反射场再经过主反射面(3)反射，形成最终的高增益oam波束。

2.根据权利要求1所述的基于阵列超表面的轨道角动量波束可切换卡塞格伦天线，其特征在于，所述正交模耦合器(1)采用渐变波导匹配的方法来实现两个正交线极化。

3.根据权利要求1所述的基于阵列超表面的轨道角动量波束可切换卡塞格伦天线，其特征在于，所述主反射面(3)为旋转抛物面结构，通过主反射面支撑结构(5)固定在底座上。

4.根据权利要求1所述的基于阵列超表面的轨道角动量波束可切换卡塞格伦天线，其特征在于，所述波纹喇叭(4)内部设置有若干均匀排布的突起结构作为波纹槽。

5.根据权利要求1所述的基于阵列超表面的轨道角动量波束可切换卡塞格伦天线，其特征在于，所述副反射面支撑结构(7)顶部设计为正方体，正方体的四个侧面能够固定不同的副反射面(6)。

6.根据权利要求5所述的基于阵列超表面的轨道角动量波束可切换卡塞格伦天线，其特征在于，所述副反射面(6)通过副反射面支撑结构(7)固定，通过旋转切换不同的波束。

7.根据权利要求5所述的基于阵列超表面的轨道角动量波束可切换卡塞格伦天线，其特征在于，所述超表面单元自上而下依次分布有顶部金属层、第一介质层、粘合剂层、中间金属层、第二介质层和底层金属层。

8.根据权利要求7所述的基于阵列超表面的轨道角动量波束可切换卡塞格伦天线，其特征在于，第一介质层和第二介质层均采用介电常数为2.2的tly-5基板，粘合剂层采用介电常数为3.7的4450f粘合剂。

9.根据权利要求7所述的基于阵列超表面的轨道角动量波束可切换卡塞格伦天线，其特征在于，通过修改超表面单元的顶部金属层和中间金属层的尺寸来改变超表面单元的相位值。

10.根据权利要求1或9所述的基于阵列超表面的轨道角动量波束可切换卡塞格伦天线，其特征在于，对于副反射面(6)中每个超表面单元还需要进行相位补偿，公式为：

技术总结
本发明公开了一种基于阵列超表面的轨道角动量波束可切换卡塞格伦天线，包括依次布置的正交模耦合器、过渡波导、主反射面、波纹喇叭、主反射面支撑结构、副反射面和副反射面支撑结构。波纹喇叭的相位中心置于副反射面的虚焦点处，同时要求副反射面的实焦点位于主反射面的焦点处。所述副反射面支撑结构的顶部为正方体，其四个侧面固定有不同的副反射面，通过旋转副反射面支撑结构来切换波束形状。所述正交模耦合器结合波纹喇叭作为馈源，通过过渡波导将电磁场传导到波纹喇叭，波纹喇叭出射的场照射到副反射面，通过副反射面对反射场进行相位补偿，副反射面的反射场再经过主反射面反射，形成最终的高增益OAM波束。

技术研发人员：温军,郑史烈,朱泽林,陈煜琪,回晓楠,章献民
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13