一种宽带毫米波双圆极化双模式轨道角动量天线

摘要

本发明公开了一种宽带毫米波双圆极化双模式轨道角动量天线。所述宽带毫米波双圆极化双模式轨道角动量天线包括四个呈圆阵列排布的双向辐射天线单元，每个天线单元两侧紧密贴合超表面层，四个天线单元的馈电端口同相等幅且呈顺时针90度旋转。本发明的整个天线主要采用金属层和金属化通孔工艺制成，整个结构加工工艺比较简单且易于集成；本发明天线具有同时辐射两种圆极化波和两种轨道角动量模式数的特点，并且在整个宽带频率上呈现良好的涡旋波特点。

权利要求

1.一种宽带毫米波双圆极化双模式轨道角动量天线，其特征在于，包括：介质基板、超表面顶层、超表面底层；

所述宽带毫米波双圆极化双模式轨道角动量天线的双圆极化双模式为左旋圆极化的轨道角动量模式数为+1和右旋圆极化轨道角动量模式数为‑1；

所述介质基板表面设置有金属覆铜部分和介质基板裸露部分；其中所述介质基板裸露部分设置有四个呈圆阵列排布的双向辐射天线单元，分别为第一双向辐射天线单元、第二双向辐射天线单元、第三双向辐射天线单元以及第四双向辐射天线单元；所述圆阵列的圆心为所述介质基板裸露部分的中心；所述第一双向辐射天线单元、所述第二双向辐射天线单元、所述第三双向辐射天线单元以及所述第四双向辐射天线单元以所述圆心为旋转对称中心，呈旋转对称图形分布，旋转角为90度；所述双向辐射天线单元包括：基片集成谐振腔、匹配段、辐射缝隙以及天线单元金属过孔；所述基片集成谐振腔由基片集成金属化通孔周期排列而成；所述匹配段设置在所述基片集成谐振腔一角；所述辐射缝隙位于所述基片集成谐振腔内，且所述辐射缝隙的中心与所述双向辐射天线单元的中心重合；所述基片集成谐振腔以及所述辐射缝隙上均设置有所述天线单元金属过孔；

所述介质基板裸露部分的两侧紧密贴合所述超表面层顶层和所述超表面层底层；

所述介质基板正面的所述金属覆铜部分设置有外部同轴馈电端口以及与所述外部同轴馈电端口连接的一分四基片集成波导功分网络；四个所述双向辐射天线单元的馈电由所述一分四基片集成波导功分网络完成；四个所述双向辐射天线单元的馈电端口同相等幅且呈顺时针90度旋转设置；

所述介质基板裸露部分的四个角上分别设置有基片集成波导转微带线；所述双向辐射天线单元的馈电依次通过所述外部同轴馈电端口、所述一分四基片集成波导功分网络、所述基片集成波导转微带线以及所述匹配段馈入到所述双向辐射天线单元；

所述超表面层顶层上设置有四个呈圆阵列排布的方形金属贴片单元，分别为第一方形金属贴片单元、第二方形金属贴片单元、第三方形金属贴片单元以及第四方形金属贴片单元；所述圆阵列的圆心为所述超表面层顶层的中心；所述第一方形金属贴片单元、所述第二方形金属贴片单元、所述第三方形金属贴片单元以及所述第四方形金属贴片单元以所述圆心为旋转对称中心，呈旋转对称图形分布，旋转角为90度；所述超表面层底层与所述超表面层顶层结构相同，所述超表面层底层中的四个方形金属贴片单元与所述超表面层顶层中的四个方形金属贴片单元呈镜像布置。

2.根据权利要求1所述的宽带毫米波双圆极化双模式轨道角动量天线，其特征在于，所述基片集成谐振腔的高次简并模式为TE120或TE210模式。

3.根据权利要求1所述的宽带毫米波双圆极化双模式轨道角动量天线，其特征在于，所述圆阵列的半径R≥0.6λ；λ为中心频率波长；所述半径R为所述圆阵列的圆心到所述双向辐射天线单元的中心之间的距离。

4.根据权利要求1所述的宽带毫米波双圆极化双模式轨道角动量天线，其特征在于，所述一分四基片集成波导功分网络内设置一分二功率分配金属过孔和直角匹配金属过孔。

5.根据权利要求1所述的宽带毫米波双圆极化双模式轨道角动量天线，其特征在于，所述介质基板正面的所述金属覆铜部分的覆铜区域涵盖所述外部同轴馈电端口和所述一分四基片集成波导功分网络；所述介质基板背面的所述金属覆铜部分的覆铜区域涵盖除所述介质基板裸露部分以外的区域；所述覆铜区域的覆铜厚度为18微米或35微米。

6.根据权利要求1所述的宽带毫米波双圆极化双模式轨道角动量天线，其特征在于，所述超表面层顶层和所述超表面层底层上分别对应设置有多个机械孔；通过所述机械孔用尼龙塑料螺丝将所述超表面层顶层、所述介质基板裸露部分以及所述超表面层底层依次固定在一起；所述超表面层顶层和所述超表面层底层在所述介质基板裸露部分两侧对称设置；

所述超表面层顶层上设置的四个呈圆阵列排布的方形金属贴片单元与所述介质基板裸露部分设置的四个呈圆阵列排布的双向辐射天线单元的位置一一对应。

7.根据权利要求1所述的宽带毫米波双圆极化双模式轨道角动量天线，其特征在于，所述方形金属贴片单元由4×4阵列的方形金属贴片以预设间隙周期二维方向排列构成；所述方形金属贴片中心有一矩形缝隙。

说明书

一种宽带毫米波双圆极化双模式轨道角动量天线

技术领域

[0001] 本发明涉及轨道角动量天线技术领域，特别是涉及一种宽带毫米波双圆极化双模式轨道角动量天线。

背景技术

[0002] 近年来，无线通信技术得到了快速的发展，信息传输的频谱资源已日趋香农极限，现有的天线技术对频谱资源利用率受到一定的限制。为缓解频谱资源紧张与无线业务需求
日益增长之间的矛盾，各种无线电技术应运而生。为满足日益增长的大数据信息交换，迫切
需要一种能够提升系统容量和频谱利用效率的天线技术，利用不同模态涡旋电磁波间的正
交性同时传输多个模态信号，增大无线通信容量。理论上模态值可为任意实数，且不同模态
的OAM(Orbital AngularMomentum，轨道角动量)波正交，所以不同模态的波束在同一频率
下的传输容量为无穷大。轨道角动量是一种涡旋电磁波，可以携带具有不同模式数的轨道
角动量电磁波束，不同的模式之间具有相互正交的特点，这一特点在单一工作的频率能够
传输多种模式的轨道角动量电磁涡旋波束。因此，轨道角动量天线技术能够有效提高频谱
利用效率，作为一种新的复用技术已经逐渐受到通信技术领域的关注。2011年，意大利
Tamburini等人首次在射频波段成功实现了基于两个不同模式的轨道角动量的无线通信的
实验。涡旋电磁波天线不仅在无线通信领域具有广阔的应用前景，在雷达成像与检测、医学
成像等方面具有潜在应用价值。

[0003] 毫米波通信属于微波通信，频率范围为30‑300GHz，波长范围为1‑10mm。相比于4G的分米波波段，其频率更高，波长更短，但其散射与绕射能力较差，因此毫米波通信更接近
光通信，主要依赖直视路径进行传输，而且毫米波波束窄，具有良好的方向性，但遇到阻挡
就会被反射或被阻断。

[0004] 基片集成波导技术是一种可以集成于介质基片中的具有低插入损耗和低辐射特性的新型波导结构，它是通过在上下表面为金属层的低损耗介质基片上，开周期性的金属
化通孔阵列而实现。基片集成波导结构继承了传统波导器件高品质因素和大功率容量等优
良特点，同时可以实现有源和无源集成，应用基片集成技术可以把整个微波毫米波系统制
作在一个封装结构中，使微波毫米波系统小型化，而且基片集成波导结构可以利用PCB
(Printed CircuitBoard，印刷线路板)或LTCC(Low Temperature Co‑fired Ceramic，低温
共烧陶瓷)技术工艺加工实现，加工成本低廉，在微波毫米波系统中有广泛应用前景。

[0005] 轨道角动量天线技术作为多输入多输出(Multi InputMulti Output，MIMO)技术的一种实现形式，是未来通信的关键技术，它可以有效地提高信道容量和信息传输的可靠
性，对于5G天线终端的发展至关重要。在一个紧凑的区域，设计出趋近信道容量极限的MIMO
天线，并实现天线单元之间的良好隔离，是一个极具挑战的任务。实现宽频带、小型化设计，
多天线、多种通信制式共存是未来着力解决的关键技术问题。终端天线的设计追求是能够
实现多频段/宽带或者频率可调，高效率，在毫米波段更要求天线阵列化和高增益设计。研
究毫米波段小型化天线在PCB板上采用基片集成波导(Substrate integrated waveguide，
SIW)技术实现高增益毫米波MIMO天线的功能，并设计去耦网络降低天线单元间的耦合现
象，以期实现毫米波段高增益、高隔离、宽带。探讨新型终端轨道角动量(OAM)天线在MIMO通
讯系统中的理论和应用，对OAM天线的混合模式发射、解调研究具有重要意义。

发明内容

[0006] 本发明的目的是提供一种宽带毫米波双圆极化双模式轨道角动量天线，以实现能够产生左圆圆极化的轨道角动量模式数为+1和右圆圆极化轨道角动量模式数为‑1的双向
辐射涡旋波束，在整个宽频带具有良好的涡旋波特性、圆极化特性的新型终端轨道角动量
(OAM)天线。

[0007] 为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

[0008] 一种宽带毫米波双圆极化双模式轨道角动量天线，包括：介质基板、超表面顶层、超表面底层；

[0009] 所述介质基板表面设置有金属覆铜部分和介质基板裸露部分；其中所述介质基板裸露部分设置有四个呈圆阵列排布的双向辐射天线单元，分别为第一双向辐射天线单元、
第二双向辐射天线单元、第三双向辐射天线单元以及第四双向辐射天线单元；所述圆阵列
的圆心为所述介质基板裸露部分的中心；所述第一双向辐射天线单元、所述第二双向辐射
天线单元、所述第三双向辐射天线单元以及所述第四双向辐射天线单元以所述圆心为旋转
对称中心，呈旋转对称图形分布，旋转角为90度；所述介质基板裸露部分的两侧紧密贴合所
述超表面层顶层和所述超表面层底层；

[0010] 所述介质基板正面的所述金属覆铜部分设置有外部同轴馈电端口以及与所述外部同轴馈电端口连接的一分四基片集成波导功分网络；四个所述双向辐射天线单元的馈电
由所述一分四基片集成波导功分网络完成；四个所述双向辐射天线单元的馈电端口同相等
幅且呈顺时针90度旋转设置。

[0011] 可选的，所述双向辐射天线单元包括基片集成谐振腔、匹配段、辐射缝隙以及天线单元金属过孔；所述基片集成谐振腔由基片集成金属化通孔周期排列而成；所述匹配段设
置在所述基片集成谐振腔一角；所述辐射缝隙位于所述基片集成谐振腔内，且所述辐射缝
隙的中心与所述双向辐射天线单元的中心重合；所述基片集成谐振腔以及所述辐射缝隙上
均设置有所述天线单元金属过孔。

[0012] 可选的，所述基片集成谐振腔的高次简并模式为TE120或TE210模式。

[0013] 可选的，所述圆阵列的半径R≥0.6λ；λ为中心频率波长；所述半径R为所述圆阵列的圆心到所述双向辐射天线单元的中心之间的距离。

[0014] 可选的，所述介质基板裸露部分的四个角上分别设置有基片集成波导转微带线；所述双向辐射天线单元的馈电依次通过所述外部同轴馈电端口、所述一分四基片集成波导
功分网络、所述基片集成波导转微带线以及所述匹配段馈入到所述双向辐射天线单元。

[0015] 可选的，所述一分四基片集成波导功分网络内设置一分二功率分配金属过孔和直角匹配金属过孔。

[0016] 可选的，所述介质基板正面的所述金属覆铜部分的覆铜区域涵盖所述外部同轴馈电端口和所述一分四基片集成波导功分网络；所述介质基板背面的所述金属覆铜部分的覆
铜区域涵盖除所述介质基板裸露部分以外的区域；所述覆铜区域的覆铜厚度为18微米或35
微米。

[0017] 可选的，所述超表面层顶层上设置有四个呈圆阵列排布的方形金属贴片单元，分别为第一方形金属贴片单元、第二方形金属贴片单元、第三方形金属贴片单元以及第四方
形金属贴片单元；所述圆阵列的圆心为所述超表面层顶层的中心；所述第一方形金属贴片
单元、所述第二方形金属贴片单元、所述第三方形金属贴片单元以及所述第四方形金属贴
片单元以所述圆心为旋转对称中心，呈旋转对称图形分布，旋转角为90度；所述超表面层底
层与所述超表面层顶层结构相同。

[0018] 可选的，所述超表面层顶层和所述超表面层底层上分别对应设置有多个机械孔；通过所述机械孔用尼龙塑料螺丝将所述超表面层顶层、所述介质基板裸露部分以及所述超
表面层底层依次固定在一起；所述超表面层顶层和所述超表面层底层在所述介质基板裸露
部分两侧对称设置；所述超表面层顶层上设置的四个呈圆阵列排布的方形金属贴片单元与
所述介质基板裸露部分设置的四个呈圆阵列排布的双向辐射天线单元的位置一一对应。

[0019] 可选的，所述方形金属贴片单元由4×4阵列的方形金属贴片以预设间隙周期二维方向排列构成；所述方形金属贴片中心有一矩形缝隙。

[0020] 根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

[0021] 本发明提供一种宽带毫米波双圆极化双模式轨道角动量天线，包括：介质基板、超表面顶层、超表面底层；所述介质基板表面设置有金属覆铜部分和介质基板裸露部分；其中
所述介质基板裸露部分设置有四个呈圆阵列排布的双向辐射天线单元；所述介质基板裸露
部分的两侧紧密贴合所述超表面层顶层和所述超表面层底层；所述介质基板正面的所述金
属覆铜部分设置有外部同轴馈电端口以及与所述外部同轴馈电端口连接的一分四基片集
成波导功分网络；四个所述双向辐射天线单元的馈电由所述一分四基片集成波导功分网络
完成；四个所述双向辐射天线单元的馈电端口同相等幅且呈顺时针90度旋转设置。本发明
的整个天线主要采用金属层和金属化通孔工艺制成，整个结构加工工艺比较简单且易于集
成；能够产生左圆圆极化的轨道角动量模式数为+1和右圆圆极化轨道角动量模式数为‑1的
双向辐射涡旋波束；并且本发明天线具有宽频带的特性，在整个宽频带具有良好的涡旋波
特性、圆极化特性。

附图说明

[0022] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施
例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图
获得其他的附图。

[0023] 图1为本发明提供的宽带毫米波双圆极化双模式轨道角动量天线的正面视图；

[0024] 图2为本发明提供的宽带毫米波双圆极化双模式轨道角动量天线的背面视图；

[0025] 图3为本发明提供的宽带毫米波双圆极化双模式轨道角动量天线的侧面视图；

[0026] 图4为本发明提供的介质基板的正面结构示意图；

[0027] 图5为本发明提供的介质基板的背面结构示意图；

[0028] 图6为本发明提供的超表面层顶层的结构示意图；

[0029] 图7为本发明提供的超表面层底层的结构示意图；

[0030] 图8为本发明具体实施方式中天线的反射系数的仿真和测试图；

[0031] 图9为本发明具体实施方式中天线的圆极化轴比的仿真和测试图；

[0032] 图10为本发明具体实施方式中天线的xoz面测试增益图；

[0033] 图11为本发明具体实施方式中天线的yoz面测试增益图；

[0034] 图12为本发明具体实施方式中天线的xoz面轴上圆极化轴比测试图；

[0035] 图13为本发明具体实施方式中天线的yoz面轴上圆极化轴比测试图；

[0036] 图14为本发明具体实施方式中天线的三个频点下的相位分布仿真和测试图(观察平面距离天线表面为150毫米，观察平面大小为140毫米×140毫米)；

[0037] 图中标号分别为：介质基板1、超表面顶层2、超表面底层3、馈电端口11、基片集成谐振腔12、一分四基片集成波导功分网络13、外部同轴馈电端口14、第一一分二功率分配金
属过孔151、第一直角匹配金属过孔152、第二直角匹配金属过孔153、第三直角匹配金属过
孔154、第二一分二功率分配金属过孔155、基片集成波导转微带线16、匹配段17、辐射缝隙
18、第一金属过孔191、第二金属过孔192、第三金属过孔193、双向辐射天线单元20、介质基
板裸露部分21、金属覆铜部分22、方形金属贴片31、矩形缝隙32、第一机械孔33、第二机械孔
34、方形金属贴片单元35。

具体实施方式

[0038] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。

[0039] 本发明的目的是提供一种宽带毫米波双圆极化双模式轨道角动量天线，以实现能够产生左圆圆极化的轨道角动量模式数为+1和右圆圆极化轨道角动量模式数为‑1的双向
辐射涡旋波束，在整个宽频带具有良好的涡旋波特性、圆极化特性的新型终端轨道角动量
(OAM)天线。

[0040] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0041] 图1为本发明提供的宽带毫米波双圆极化双模式轨道角动量天线(本发明中简称轨道角动量天线或天线)的正面视图；图2为本发明提供的宽带毫米波双圆极化双模式轨道
角动量天线的背面视图；图3为本发明提供的宽带毫米波双圆极化双模式轨道角动量天线
的侧面视图。如图1‑3所示，所述宽带毫米波双圆极化双模式轨道角动量天线包括：介质基
板1、超表面顶层2、超表面底层3。

[0042] 图4为本发明提供的介质基板的正面结构示意图；图5为本发明提供的介质基板的背面结构示意图。如图4和图5所示，所述介质基板1表面设置有金属覆铜部分22和介质基板
裸露部分21。其中所述介质基板裸露部分21设置有四个呈圆阵列排布的双向辐射天线单元
20，四个双向辐射天线单元20通过PCB工艺腐刻在介质基板1的两面。具体的，从图4左上方
开始顺时针旋转至右下方的四个双向辐射天线单元20分别为第一双向辐射天线单元、第二
双向辐射天线单元、第三双向辐射天线单元以及第四双向辐射天线单元。所述圆阵列的圆
心为所述介质基板裸露部分21的中心；所述第一双向辐射天线单元、所述第二双向辐射天
线单元、所述第三双向辐射天线单元以及所述第四双向辐射天线单元以所述圆心为旋转对
称中心，呈旋转对称图形分布，旋转角为90度。所述介质基板裸露部分21的两侧紧密贴合所
述超表面层顶层2和所述超表面层底层3。

[0043] 为了显示所述介质基板1正面的所述金属覆铜部分22的结构，图4所示的金属覆铜部分22为未覆铜时的结构。如图4所示，所述介质基板1正面的所述金属覆铜部分22设置有
外部同轴馈电端口14以及与所述外部同轴馈电端口14连接的一分四基片集成波导功分网
络13。四个所述双向辐射天线单元20的馈电由所述一分四基片集成波导功分网络13完成；
四个所述双向辐射天线单元20的馈电端口11同相等幅且呈顺时针90度旋转设置。

[0044] 具体的，所述双向辐射天线单元20包括基片集成谐振腔12、匹配段17、辐射缝隙18以及天线单元金属过孔。

[0045] 所述基片集成谐振腔12由基片集成金属化通孔周期排列而成。所述基片集成谐振腔12的高次简并模式为TE120或TE210模式。作为一种具体的实施方式，如图4所示，所述基
片集成谐振腔12为由基片集成金属化通孔周期排列而成的方形谐振腔，其尺寸为6.9mm×
6.9mm，形成所述谐振腔12的所述金属化通孔的直径为0.4mm。

[0046] 所述匹配段17设置在所述基片集成谐振腔12一角。所述匹配段17的一端通过馈电端口11连接基片集成波导转微带线16，所述匹配段17的另一端面向所述辐射缝隙18。

[0047] 所述辐射缝隙18位于所述基片集成谐振腔12内，且所述辐射缝隙18的中心与所述双向辐射天线单元20的中心重合。所述辐射缝隙18的大小尺寸初值由以下计算公式确定：

[0048]

[0049] 其中，W表示缝隙大小，λ0为自由空间中心工作频率的波长，εeff表示介质基板的等效介电常数。

[0050] 作为一种具体的实施方式，所述辐射缝隙18为方形结构，所述辐射缝隙18的内边长为2.2mm，外边长2.6mm。

[0051] 所述基片集成谐振腔12以及所述辐射缝隙18上均设置有所述天线单元金属过孔。所述天线单元金属过孔采用PCB板加工金属化过孔工艺，直径可以是0.3毫米‑0.5毫米，在
所述基片集成谐振腔12腔内的具体分布位置可通过三维电磁仿真优化得到。

[0052] 作为一种具体的实施方式，如图4所示，所述天线单元金属过孔可以包括第一金属过孔191、第二金属过孔192以及第三金属过孔193。其中所述第一金属过孔191设置在所述
辐射缝隙18内部，所述第二金属过孔设置在所述辐射缝隙18外部，所述第三金属过孔193设
置在所述基片集成谐振腔12上。腔内的金属过孔可以对腔内的电场产生扰动，可以得到两
个相互正交的等幅相位差为90度的模式，产生圆极化辐射波。微扰金属过孔191、192及193
的金属化通孔直径为0.3mm。

[0053] 如图4所示，四个所述双向辐射天线单元20排列而成的所述圆阵列的半径R≥0.6λ；λ为OAM天线的中心频率波长；所述半径R为所述圆阵列的圆心到所述双向辐射天线单元
的中心之间的距离。

[0054] 如图4所示，所述介质基板裸露部分21的四个角上分别设置有基片集成波导转微带线16。所述双向辐射天线单元20的馈电依次通过所述外部同轴馈电端口14、所述一分四
基片集成波导功分网络13、所述基片集成波导转微带线16以及所述匹配段17馈入到所述双
向辐射天线单元20。所述同轴馈电端口14的作用是安装毫米波转接头，将外部信号源馈入
到所述的轨道角动量天线。

[0055] 如图4所示，所述一分四基片集成波导功分网络13由成熟的PCB板金属化通孔工艺排列而成。组成所述一分四基片集成波导功分网络13的金属孔的直径为0.5mm。所述一分四
基片集成波导功分网络13内设置一分二功率分配金属过孔和直角匹配金属过孔。所述一分
二功率分配金属过孔通常设置在周期排列的金属化通孔阵列的中间合适的位置，所述直角
匹配金属过孔通常设置在一分四基片集成波导功分网络13的拐角合适的位置，具体位置参
数可借助高频电磁场仿真软件加以确定。

[0056] 作为一种具体的实施方式，如图4所示，所述一分二功率分配金属过孔包括第一一分二功率分配金属过孔151和第二一分二功率分配金属过孔155。所述直角匹配金属过孔包
括第一直角匹配金属过孔152、第二直角匹配金属过孔153和第三直角匹配金属过孔154。所
述一分二功率分配金属过孔和所述直角匹配金属过孔的直径可以是0.3毫米‑0.8毫米。

[0057] 如图4、5所示，所述的介质基板1正面和背面均包括金属覆铜部分22和介质基板裸露部分21。所述的金属覆铜部分22在介质基板1两侧双面布置，覆铜厚度为18微米或35微
米。具体的，所述介质基板1正面的所述金属覆铜部分22的覆铜区域涵盖所述外部同轴馈电
端口14和所述一分四基片集成波导功分网络13，也就是涵盖所述介质基板1正面除所述介
质基板裸露部分21以外的区域。同样的，所述介质基板1背面的所述金属覆铜部分22的覆铜
区域也涵盖除所述介质基板裸露部分21以外的区域。所述覆铜区域的覆铜厚度为18微米或
35微米。所述的介质基板裸露部分21的中心与四个天线单元20组成的圆阵列的中心重合。

[0058] 图6为本发明提供的超表面层顶层的结构示意图。图7为本发明提供的超表面层底层的结构示意图。如图6和图7所示，本发明采用的超表面层(包括所述的超表面层顶层2和
所述超表面层底层3)均包括4个方形金属贴片单元35。所述方形金属贴片单元35通过PCB覆
铜工艺印刷在Rogers5880基板的一侧，形成本发明采用的超表面层。4个方形金属贴片单元
35的中心与双向辐射天线单元20(简称天线单元20)的中心重合。

[0059] 具体的，所述超表面层顶层2上设置有四个呈圆阵列排布的方形金属贴片单元35，从图6左上角顺时针旋转至左下角分别为第一方形金属贴片单元、第二方形金属贴片单元、
第三方形金属贴片单元以及第四方形金属贴片单元。四个方形金属贴片单元35组成的所述
圆阵列的圆心为所述超表面层顶层2的中心；所述第一方形金属贴片单元、所述第二方形金
属贴片单元、所述第三方形金属贴片单元以及所述第四方形金属贴片单元以所述圆心为旋
转对称中心，呈旋转对称图形分布，旋转角为90度。如图7所示，所述超表面层底层3与所述
超表面层顶层2结构相同，只是所述超表面层底层3中的四个方形金属贴片单元与所述超表
面层顶层2中的四个方形金属贴片单元呈镜像布置。

[0060] 四个方形金属贴片单元35组成的所述圆阵列可以看作是一个空腔，可以激发表面波的谐振，且遵循以下方程：

[0061]

[0062] 其中βsw表示表面波的相位常数，Mp和Mg分别表示方形金属贴片31的尺寸初值和方形金属贴片31之间的预设间隙尺寸，最终的尺寸可由三维电磁仿真软件优化。

[0063] 作为一种具体的实施方式，所述方形金属贴片31的尺寸为1.6毫米×1.6毫米，所述的预设间隙尺寸为0.16毫米。

[0064] 此外，所述超表面层顶层2和所述超表面层底层3上分别对应设置有多个机械孔；通过所述机械孔用尼龙塑料螺丝将所述超表面层顶层2、所述介质基板裸露部分21以及所
述超表面层底层3依次固定在一起；所述超表面层顶层1和所述超表面层底层3在所述介质
基板裸露部分21两侧对称设置。所述超表面层顶层2上设置的四个呈圆阵列排布的方形金
属贴片单元35与所述介质基板裸露部分21设置的四个呈圆阵列排布的双向辐射天线单元
20的位置一一对应。例如所述第一方形金属贴片单元紧贴所述第一双向辐射天线单元，所
述第二方形金属贴片单元紧贴所述第二双向辐射天线单元，所述第三方形金属贴片单元紧
贴所述第三双向辐射天线单元，所述第四方形金属贴片单元紧贴所述第四双向辐射天线单
元。

[0065] 作为一种具体的实施方式，如图6和7所示，所述机械孔包括第一机械孔33和多个第二机械孔34。其中第一机械孔33位于超表面层(超表面层顶层2或所述超表面层底层3)中
心，多个第二机械孔34设置在超表面层边缘。所述的第一机械孔33和第二机械孔34是PCB工
艺中不同直径的机械过孔，直径范围可以是1毫米‑3毫米，其作用是，通过在机械过孔内安
装塑料螺丝来固定各层，达到紧密贴合的作用，其分布的位置与数量均匀分布于需要固定
的区域。

[0066] 如图6和7所示，所述的超表面层顶层2和所述超表面层底层3上的所述方形金属贴片单元35由4×4阵列的方形金属贴片31以预设间隙周期二维方向排列构成。所述方形金属
贴片31中心有一矩形缝隙32。所述的矩形缝隙32的尺寸大小为1.1毫米×0.25毫米。

[0067] 如图8和9所示，仿真得到的本发明所述天线的反射系数和圆极化轴比在l＝±1模式工作频率范围为26GHz‑36 GHz，相对阻抗带宽为32.3％。图中的LHCP代表左旋圆极化，
RHCP代表右旋圆极化，OAM代表轨道角动量。

[0068] 如图10和11所示，为仿真得到的本发明天线在l＝±1模式下的增益，零深最大值分别为‑16.3dBi和‑15.7dBi，其中xoz面上l＝+1的半功率波束宽度为156°‑170°和190°‑
206°，yoz面上l＝+1的半功率波束宽度为156°‑166°和196°‑206°；其中xoz面上l＝‑1的半
功率波束宽度为12°‑26°和334°‑348°，yoz面上l＝‑1的半功率波束宽度为14°‑24°和334°‑
346°。

[0069] 如图12和13所示，为l＝±1模式下xoz面和yoz面的轴上圆极化特性曲线。

[0070] 如图14所示为本发明天线的三个频点下的相位分布仿真和测试图，观察平面距离天线表面为150毫米，观察平面大小为140毫米×140毫米，结果可以看出在很宽的频率下，
天线展现出良好的涡旋波特性。

[0071] 本发明涉及的一种宽带毫米波双圆极化双模式轨道角动量天线，包括四个呈圆阵列排布的双向辐射天线单元20，每个天线单元20两侧紧密贴合超表面层，四个天线单元20
的馈电端口是同相等幅且呈顺时针90度旋转的。本发明的整个天线主要是采用金属层和金
属化通孔工艺制成，整个结构加工工艺比较简单且易于集成；本发明天线具有同时辐射两
种圆极化波和两种轨道角动量模式数的特点，并且在整个宽带频率(26‑36GHz)上具有良好
的涡旋波特点。

[0072] 实施例一

[0073] 本发明的四个呈圆阵列排布的天线单元20组成的圆阵列半径R为7.2mm，工作的中心频率为31GHz。

[0074] 所述介质基板1的整体尺寸为80mm×52.5mm×0.508mm(长×宽×厚)，材料为Rogers(罗杰斯)5880；所述超表面层顶层2整体尺寸为37mm×42mm×0.508mm，材料为
Rogers5880；所述超表面层底层3整体尺寸为37mm×42mm×0.508mm，材料为Rogers5880。

[0075] 所述介质基板1、超表面层顶层2和超表面层底层3通过塑料尼龙螺丝固定而成。

[0076] 由上述技术方案可知，本发明所述宽带毫米波双圆极化双模式轨道角动量天线的有益效果为：

[0077] 第一，本发明整个天线主要是采用金属层和金属化通孔工艺加工制成，整个结构加工工艺比较简单且易于集成。

[0078] 第二，远处电场矢量末端点在本发明天线超表面层顶层2一侧(+z辐射方向，z轴垂直于四个天线单元20组成阵列的中心)随时间实现左旋圆极化，在超表面层底层3(‑z辐射
方向，z轴垂直于四个天线单元组成阵列的中心)一侧随时间实现右旋圆极化。在+z轴一侧，
四个天线单元20因馈电端口是顺时针旋转，且相差90度相位差(0度、90度、180度、270度)，
因此轨道角动量模式数为+1；在‑z轴一侧，由于‑z侧观察的方向与+z轴互为镜像对称，四个
单元产生相位差为‑90度(270度、180度、90度、0度)，因此轨道角动量模式数为‑1。因此，本
发明天线能够产生左旋圆极化的轨道角动量模式数为+1和右旋圆极化的轨道角动量模式
数为‑1的双向辐射涡旋波束。

[0079] 第三，由于天线单元20的背腔缝隙、腔大小、超表面层分别都会有一个谐振频点，多频点谐振叠加，可以有效扩展天线带宽，因此本发明天线具有宽频带的特性，在整个宽频
带具有良好的涡旋波特性、圆极化特性等。

[0080] 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

[0081] 本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据
本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不
应理解为对本发明的限制。