基於單層電磁超表面的高增益軌道角動量陣列天線的製作方法

2023-05-06 00:42:41

本發明屬於通信技術領域，更進一步涉及電磁材料技術領域中的一種利用單層電磁超表面實現天線波束匯聚，提高天線增益的高增益軌道角動量陣列天線。本發明可在通信技術領域的射頻和微波波段，實現多種模態軌道角動量渦旋電磁波的高增益發射和傳輸。

背景技術：

軌道角動量渦旋電磁波是攜帶有軌道角動量的螺旋電磁波束，不同模式的軌道角動量之間具有正交性，所以在同一工作頻率可以傳輸多種模式的軌道角動量渦旋電磁波，且軌道角動量的模式在理論上可取值無窮，因此利用軌道角動量渦旋電磁波可極大的提升通信頻譜利用率，在無線通信領域發揮重大作用。然而，由於傳統軌道角動量渦旋電磁波的波前含有光強為0的奇點，並且隨著軌道角動量模式階數的增加，奇點區域面積隨之增大，從而造成了軌道角動量渦旋電磁波本身的發散特性，不利於遠距離傳輸。因此減小軌道角動量渦旋電磁波的光強奇點區域面積，實現高階模式的軌道角動量渦旋波主波束增益提升，有利於解決高階模式渦旋波不能實現遠距離傳輸的問題。

浙江大學在其申請的專利文獻「一種基於相移表面的軌道角動量平面螺旋相位板」(申請號：201510654873.9，公開號：105206900a)中提出了一種可產生1階模態軌道角動量的平面螺旋相位板。該平面螺旋相位板的由多個尺寸不同的相移單元組成，每個相移單元由多層介質層和金屬層組成，介質層和金屬層間隔排布。該螺旋相位板以印刷電路板的方式製作，製備工藝簡單，成本低，通過調控每個相移單元的相位延遲特性實現了1階模態的軌道角動量。但是，該高增益軌道角動量陣列天線仍然存在的不足之處是：第一，該螺旋相位板由不同尺寸的相移單元組成，不同尺寸的相移單元對入射電磁波會產生不同程度的反射，該不同程度的反射會導致發射效率低、軌道角動量波束畸變、通信質量下降。第二，該螺旋相位板雖然實現了1階模態的軌道角動量，但該螺旋相位板產生的角動量渦旋電磁波的模態較低階，無法實現通信系統的高效多通道傳輸。第三，該反射陣天線的相移單元包括多層介質板和金屬層，介質層和金屬層間隔排布的方式較為複雜，對加工精度要求高，加工成本昂貴，工程實現性差。

浙江科技學院在其申請的專利文獻「一種基於相位梯度超表面產生微波軌道角動量的陣列天線」(申請號：201610237896.4，公開號：105870604a)中提出了一種基於相位梯度超表面產生微波軌道角動量的反射陣天線。該反射陣天線由不同尺寸的反射型移相單元排列組成，每個反射型移相單元由介質板，金屬層和金屬管組成。該陣列天線具有優越的反射效果，通過調控每個反射型移相單元的尺寸實現對每個反射型移相單元的相位延遲特性調控，從而實現了1階模態的軌道角動量。但是，該裝置仍然存在的不足之處是：第一，該相位梯度超表面由不同尺寸的移相單元組成，不同尺寸的移相單元會對入射電磁波會產生不同程度的反射，該不同程度的反射會導致發射效率低、軌道角動量波束畸變、通信質量下降。第二，該反射陣天線雖然實現了1階模態的軌道角動量，但該反射陣天線產生的角動量渦旋電磁波的模態較低階，無法實現通信系統的高效多通道傳輸。第三，該移相單元由介質板，金屬層和金屬管組成，由多個移相單元組成的反射陣天線對加工精度要求高，加工成本昂貴，工程實現性差。

電子科技大學在其申請的專利文獻「一種軌道角動量天線」(申請號：201510770352.x，公開號：105322285a)中提出了一種可產生軌道角動量的天線，該天線由拋物型反射面和螺旋天線饋源組成，螺旋天線饋源為帶地板的平面螺旋天線，拋物型反射面為標準的旋轉拋物面或切割拋物面，螺旋天線作為饋源用於對拋物型反射面進行饋電，螺旋天線饋源的輻射場經過拋物型反射面的反射可得到2階、-2階、1階模態的軌道角動量電磁波。但是，該裝置仍然存在的不足之處是：第一，該軌道角動量天線雖然實現了2階、-2階、1階三種模態的軌道角動量，但該軌道角動量天線產生的角動量渦旋電磁波的波前的光強為0的奇點區域面積較大，且隨著軌道角動量模式階數的增加，奇點區域面積隨之增大，從而導致發射效率低、軌道角動量波束畸變、通信質量下降。第二，該軌道角動量天線雖然實現了2階、-2階、1階三種模態的軌道角動量，但該軌道角動量天線產生的角動量渦旋電磁波的模態較低階，無法實現通信系統的高效多通道傳輸。第三，該拋物型反射面和螺旋天線饋源均為非平面結構，對加工精度要求高，加工成本昂貴，工程實現性差。

綜上所述，目前軌道角動量渦旋電磁波的產生裝置存在三個問題，其一是，現有的軌道角動量渦旋電磁波的產生裝置都有發射效率低、軌道角動量波束畸變、通信質量下降的不足。其二是，現有的軌道角動量渦旋電磁波的產生裝置產生的角動量渦旋電磁波的模態較低階，無法實現通信系統的高效多通道傳輸。其三是，現有的軌道角動量渦旋電磁波的產生裝置對加工精度要求高，加工成本昂貴，工程實現性差。

技術實現要素：

本發明的目的在於克服上述現有技術的不足，提供了一種利用單層電磁超表面產生高增益軌道角動量渦旋電磁波的裝置，通過在圓環形天線陣上方設置單層電磁超表面，並控制單層電磁超表面與圓環形天線陣之間的距離，使得每種軌道角動量渦旋電磁波模態對應的主波束增益提升，縮小對應的波前光強為0的奇點區域面積，解決軌道角動量渦旋電磁波發射效率低、軌道角動量波束畸變、通信質量下降，無法實現通信系統的高效多通道傳輸等問題。

實現本發明的具體思路是：由n個天線陣元沿著半徑為r的圓周均勻等間隔排布組成圓環形天線陣，n個天線陣元被饋入相同幅度的信號,相鄰天線陣元之間的固定相位延遲為2l/n，通過控制n個天線陣元的相位分布，分別實現0階，1階，2階，3階四種模態的軌道角動量渦旋電磁波。在圓環形天線陣上方設置單層電磁超表面。圓環形天線陣發出的電磁波照射到單層電磁超表面上產生多次反射，軌道角動量波束的主波束向圓環形天線陣的輻射方向中軸線聚攏，波前光強為0的奇點區域面積縮小。通過設置單層電磁超表面與圓環形天線陣之間的距離，使每種軌道角動量模態對應的主波束增益提升值最大化，對應的波前光強為0的奇點區域面積最小化，從而解決高階軌道角動量渦旋電磁波發射效率低、軌道角動量波束畸變、通信質量下降，無法實現通信系統的高效多通道傳輸，工程實現性差等問題。

為實現上述目的，本發明包括介質基板，金屬地板和天線陣元。還包括設置在金屬地板2上方的單層電磁超表面4，單層電磁超表面4由附著在介質板41上沿x，y軸二維排布的p1×p2個電磁超表面單元42組成，p1，p2為正整數，排布間隔距離為p。所述介質基板的下表面附著有金屬地板，上表面附著有n個天線陣元,n為大於2l的正整數，l表示軌道角動量的模態數。天線陣元通過饋電金屬柱與金屬地板上的輸入埠相連。

本發明與現有技術相比具有以下優點：

第一，由於本發明採用在可產生軌道角動量渦旋電磁波的n個天線陣元上方設置單層電磁超表面，軌道角動量渦旋電磁波照射到電磁超表面上產生多次反射，使得軌道角動量波束的主波束向n個天線陣元產生的電磁波輻射方向中心聚攏，實現高增益的軌道角動量渦旋電磁波，克服了現有技術存在的發射效率低、軌道角動量波束畸變、通信質量下降的不足，使得本發明在不改變天線陣元的結構和排布方式的情況下，顯著提升軌道角動量渦旋電磁波對應的主波束增益，縮小波前光強為0的奇點區域面積,從而保證遠距離傳輸軌道角動量渦旋電磁波。

第二，由於本發明採用在產生軌道角動量渦旋電磁波的陣列天線上方設置單層電磁超表面，通過調整電磁超表面與陣列天線的金屬地板之間的距離，最大程度的縮小高階模式軌道角動量波束的波前光強為0的奇點區域面積，實現高增益的高階模式軌道角動量渦旋電磁波，克服了現有技術存在的角動量渦旋電磁波的模態較低階，無法實現通信系統的高效多通道傳輸的不足，使得本發明通過饋給n個天線陣元(n/2-1)種獨立的相位分布來實現最高可達(n/2-1)階模態的高增益軌道角動量渦旋電磁波，從而保證高效多通道的通信傳輸。

第三，由於本發明採用在沿半徑為r的圓周均勻等間隔的排布的n個天線陣元上方設置單層電磁超表面，通過在單層介質板上印製沿x，y軸二維周期排布的p1×p2個尺寸相同的電磁超表面單元，極大的簡化了高增益軌道角動量渦旋電磁波的裝置設計，克服了現有技術存在的軌道角動量渦旋電磁波的產生裝置對加工精度要求高，加工成本昂貴，工程實現性差的不足，使得本發明通過使用單層電磁超表面和天線陣列的形式來實現高增益軌道角動量渦旋電磁波，從而降低了產生高增益軌道角動量渦旋電磁波裝置的結構複雜性，工程可實現性好。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖；

圖2為本發明實施例1放置單層電磁超表面前後的遠場輻射方向圖；

圖3為本發明實施例1放置單層電磁超表面前後的近場平面上的相位分布圖；

圖4為本發明實施例2放置單層電磁超表面前後的遠場輻射方向圖；

圖5為本發明實施例2放置單層電磁超表面前後的近場平面上的相位分布圖；

圖6為本發明實施例3放置單層電磁超表面前後的遠場輻射方向圖；

圖7為本發明實施例3放置單層電磁超表面前後的近場平面上的相位分布圖；

圖8為本發明實施例1放置單層電磁超表面前後的遠場輻射方向圖；

圖9為本發明實施例1放置單層電磁超表面前後的近場平面上的相位分布圖。

具體實現方式

下面結合附圖對本發明作進一步的描述。

參照附圖1，對本發明的結構示意圖作進一步詳細的說明。

本發明包括介質基板1，金屬地板2和天線陣元3。還包括設置在金屬地板2上方的單層電磁超表面4，兩者之間的距離在範圍λ/10-λ內選取。單層電磁超表面4由附著在介質板41上沿x，y軸二維排布的p1×p2個電磁超表面單元42組成，p1，p2為正整數，排布間隔距離為p,排布間隔距離p的取值範圍為λ/4-λ/2。介質板單元41的相對介電常數為εr，厚度為t，εr的取值範圍為2-10，t的取值範圍為0.5mm-3mm。電磁超表面單元42是柵格形、圓形、大於3的正v邊形中的任意一種形狀,v為大於3的正整數。介質基板1的下表面附著有金屬地板2，上表面附著有n個天線陣元3,n為大於2l的正整數，l表示軌道角動量的模態數。介質基板1的相對介電常數為εr，厚度為h，εr的取值範圍為2-10，h的取值範圍為0.5mm-3mm。介質基板1和金屬地板2為圓形或者正k邊形，k為大於3的正整數。天線陣元3通過饋電金屬柱31與金屬地板2上的輸入埠21相連。天線陣元3的形狀是m邊形或者圓形,m為大於3的正整數。天線陣元3沿半徑為r的圓周均勻等間隔的排布在介質基板1的上表面,r>0.6λ，λ表示天線陣元3在工作頻率處的波長。輸入埠21是蝕刻在金屬地板2上的圓形孔，輸入埠21與饋電金屬柱31同軸。

參照附圖2，對本發明實施例1放置單層電磁超表面4前後的遠場輻射方向圖作進一步的描述。

本發明中實施例1的高增益軌道角動量陣列天線整體結構示意圖與圖1相同，介質基板1和金屬地板2的形狀為正四邊形，介質基板1的相對介電常數εr為2.65，厚度h為0.8mm，天線陣元3的形狀為圓形，n為8，8個天線陣元3沿半徑r為60mm的圓周均勻等間隔排布組成陣列天線，陣列天線的工作頻率為10ghz，相應的波長λ為30mm，單層電磁超表面4設置於金屬地板2的上方，兩者之間的距離為16.2mm，單層電磁超表面4由附著在介質板41上沿x，y軸二維周期排布的p1×p2個電磁超表面單元42組成，p1為17，p2為18，排布間隔距離p為10mm，電磁超表面單元42是邊長為8mm的正四邊形，介質板41的相對介電常數εr為2.65，厚度t為1.5mm。通過對8個天線陣元3饋以等幅同相信號，可實現模態為0的軌道角動量電磁渦旋波。圖2中的橫坐標為方向角(單位為deg)，縱坐標為增益(單位為db)，圖2中的曲線為實現0模態軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4前後的遠場輻射增益隨著方向角度的變化曲線。曲線d0為實現0模態軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4前的遠場輻射增益隨著方向角度的變化曲線，曲線d0c為實現0模態軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4後的遠場輻射增益隨著方向角的變化曲線。陣列天線的主波束方向為方向角上的最大增益。實現0模態軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4後相對於放置單層電磁超表面4前的主波束增益提高了10.1db，波束中心空域面積縮小，即可實現模態為0的軌道角動量渦旋電磁波遠距離傳輸。

參照附圖3，對本發明實施例1放置單層電磁超表面4前後的近場平面上的相位分布圖作進一步的描述。

本發明中實施例1的高增益軌道角動量陣列天線整體結構示意圖與圖1相同，介質基板1和金屬地板2的形狀為正4邊形，介質基板1的相對介電常數εr為2.65，厚度h為0.8mm，天線陣元3的形狀為圓形，n為8，8個天線陣元3沿半徑r為60mm的圓周均勻等間隔排布組成陣列天線，陣列天線的工作頻率為10ghz，相應的波長λ為30mm，單層電磁超表面4設置於金屬地板2的上方，兩者之間的距離為16.2mm，單層電磁超表面4由附著在介質板41上沿x，y軸二維周期排布的p1×p2個電磁超表面單元42組成，p1為17，p2為18，排布間隔距離p為10mm，電磁超表面單元42是邊長為8mm的正四邊形，介質板41的相對介電常數εr為2.65，厚度t為1.5mm。通過對8個天線陣元3饋以等幅同相信號，可實現模態為0的軌道角動量電磁渦旋波。圖3中的橫坐標是近場平面二維坐標中的一維坐標(單位為mm)，縱坐標是近場平面二維坐標中的另一維坐標(單位為mm)，右側的顏色深淺代表相位值(deg)，近場平面為距離陣列天線法向17λ處尺寸為17λ×17λ的二維平面，圖3中的平面二維圖為實現0模態軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4前後的螺旋波前相位在近場平面上的二維分布。p0標記的平面二維圖為實現0模態軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4前的螺旋波前相位在近場平面上的二維分布，p0c標記的平面二維圖為實現0模態軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4後的螺旋波前相位在近場平面上的二維分布。陣列天線放置單層電磁超表面4前後的近場平面上的相位分布圖均能實現明顯的模態為0的軌道角動量渦旋電磁波特性，即單層電磁超表面4放置於陣列天線上可以在提高模態為0的軌道角動量主波束增益的同時保持軌道角動量電磁渦旋波的相位特性，從而保證遠距離傳輸的通信質量。

參照附圖4，對本發明實施例2放置單層電磁超表面4前後的遠場輻射方向圖作進一步的描述。

本發明中實施例2的高增益軌道角動量陣列天線整體結構示意圖與圖1相同，介質基板1和金屬地板2的形狀為正4邊形，介質基板1的相對介電常數εr為2.65，厚度h為0.8mm，天線陣元3的形狀為圓形，n為8，8個天線陣元3沿半徑r為60mm的圓周均勻等間隔排布組成陣列天線，陣列天線的工作頻率為10ghz，相應的波長λ為30mm，單層電磁超表面4設置於金屬地板2的上方，兩者之間的距離為16.3mm，單層電磁超表面4由附著在介質板41上沿x，y軸二維周期排布的p1×p2個電磁超表面單元42組成，p1為17，p2為18，排布間隔距離p為10mm，電磁超表面單元42是邊長為8mm的正四邊形，介質板41的相對介電常數εr為2.65，厚度t為1.5mm。通過對8個天線陣元3饋以等幅固定相差為-45deg的信號，可實現模態為1的軌道角動量電磁渦旋波。圖4中的橫坐標為方向角度(單位為deg)，縱坐標為增益(單位為db)，圖4中的曲線為實現1模態軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4前後的遠場輻射增益隨著方向角度的變化曲線。曲線d1為實現1模態軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4前的遠場輻射增益隨著方向角度的變化曲線，曲線d1c為實現1模態軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4後的遠場輻射增益隨著方向角度的變化曲線。陣列天線的主波束方向為方向角度上的最大增益。實現1模態軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4後相對於放置單層電磁超表面4前的主波束增益提高了11db，波束中心空域面積縮小，即可實現模態為1的軌道角動量渦旋電磁波遠距離傳輸。

參照附圖5，對本發明實施例2放置單層電磁超表面4前後的近場平面上的相位分布圖作進一步的描述。

本發明中實施例2的高增益軌道角動量陣列天線整體結構示意圖與圖1相同，介質基板1和金屬地板2的形狀為正4邊形，介質基板1的相對介電常數εr為2.65，厚度h為0.8mm，天線陣元3的形狀為圓形，n為8，8個天線陣元3沿半徑r為60mm的圓周均勻等間隔排布組成陣列天線，陣列天線的工作頻率為10ghz，相應的波長λ為30mm，單層電磁超表面4設置於金屬地板2的上方，兩者之間的距離為16.3mm，單層電磁超表面4由附著在介質板41上沿x，y軸二維周期排布的p1×p2個電磁超表面單元42組成，p1為17，p2為18，排布間隔距離p為10mm，電磁超表面單元42是邊長為8mm的正四邊形，介質板41的相對介電常數εr為2.65，厚度t為1.5mm。通過對8個天線陣元3饋以等幅固定相差為-45deg的信號，可實現模態為1的軌道角動量電磁渦旋波。圖5中的橫坐標是近場平面二維坐標中的一維坐標(單位為mm)，縱坐標是近場平面二維坐標中的另一維坐標(單位為mm)，右側的顏色深淺代表相位值(deg)，近場平面為距離陣列天線法向17λ處尺寸為17λ×17λ的二維平面，圖5中的平面二維圖為實現1模態軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4前後的螺旋波前相位在近場平面上的二維分布。p1標記的平面二維圖為實現1模態軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4前的螺旋波前相位在近場平面上的二維分布，p1c標記的平面二維圖為實現1模態軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4後的螺旋波前相位在近場平面上的二維分布。陣列天線放置單層電磁超表面4前後的近場平面上的相位分布圖均能實現明顯的模態為1的軌道角動量渦旋電磁波特性，即單層電磁超表面4放置於陣列天線上可以在提高模態為1的軌道角動量主波束增益的同時保持軌道角動量電磁渦旋波的相位特性，從而保證遠距離傳輸的通信質量。

參照附圖6，對本發明的實施例3放置單層電磁超表面4前後的遠場輻射方向圖作進一步的描述。

本發明中實施例3的高增益軌道角動量陣列天線整體結構示意圖與圖1相同，介質基板1和金屬地板2的形狀為正4邊形，介質基板1的相對介電常數εr為2.65，厚度h為0.8mm，天線陣元3的形狀為圓形，n為8，8個天線陣元3沿半徑r為60mm的圓周均勻等間隔排布組成陣列天線，陣列天線的工作頻率為10ghz，相應的波長λ為30mm，單層電磁超表面4設置於金屬地板2的上方，兩者之間的距離為16.5mm，單層電磁超表面4由附著在介質板41上沿x，y軸二維周期排布的p1×p2個電磁超表面單元42組成，p1為17，p2為18，排布間隔距離p為10mm，電磁超表面單元42是邊長為8mm的正四邊形，介質板41的相對介電常數εr為2.65，厚度t為1.5mm。通過對8個天線陣元3饋以等幅固定相差為-90deg的信號，可實現模態為2的軌道角動量電磁渦旋波。圖6中的橫坐標為方向角度(單位為deg)，縱坐標為增益(單位為db)，圖6中的曲線為實現2模態軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4前後的遠場輻射增益隨著方向角度的變化曲線。曲線d2為實現2模態軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4前的遠場輻射增益隨著方向角度的變化曲線，曲線d2c為實現2模態軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4後的遠場輻射增益隨著方向角度的變化曲線。陣列天線的主波束方向為方向角度上的最大增益。實現2模態軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4後相對於放置單層電磁超表面4前的主波束增益提高了8.7db，波束中心空域面積縮小，即可實現模態為2的軌道角動量渦旋電磁波遠距離傳輸。

參照附圖7，對本發明實施例3放置單層電磁超表面4前後的近場平面上的相位分布圖作進一步的描述。

本發明中實施例3的高增益軌道角動量陣列天線整體結構示意圖與圖1相同，介質基板1和金屬地板2的形狀為正4邊形，介質基板1的相對介電常數εr為2.65，厚度h為0.8mm，天線陣元3的形狀為圓形，n為8，8個天線陣元3沿半徑r為60mm的圓周均勻等間隔排布組成陣列天線，陣列天線的工作頻率為10ghz，相應的波長λ為30mm，單層電磁超表面4設置於金屬地板2的上方，兩者之間的距離為16.5mm，單層電磁超表面4由附著在介質板41上沿x，y軸二維周期排布的p1×p2個電磁超表面單元42組成，p1為17，p2為18，排布間隔距離p為10mm，電磁超表面單元42是邊長為8mm的正四邊形，介質板41的相對介電常數εr為2.65，厚度t為1.5mm。通過對8個天線陣元3饋以等幅固定相差為-90deg的信號，可實現模態為2的軌道角動量電磁渦旋波。圖7中的橫坐標是近場平面二維坐標中的一維坐標(單位為mm)，縱坐標是近場平面二維坐標中的另一維坐標(單位為mm)，右側的顏色深淺代表相位值(deg)，近場平面為距離陣列天線法向17λ處尺寸為17λ×17λ的二維平面，圖7中的平面二維圖為實現2模態軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4前後的螺旋波前相位在近場平面上的二維分布。p2標記的平面二維圖為實現2模態軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4前的螺旋波前相位在近場平面上的二維分布，p2c標記的平面二維圖為實現2模態軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4後的螺旋波前相位在近場平面上的二維分布。陣列天線放置單層電磁超表面4前後的近場平面上的相位分布圖均能實現明顯的模態為2的軌道角動量渦旋電磁波特性，即單層電磁超表面4放置於陣列天線上可以在提高模態為2的軌道角動量主波束增益的同時保持軌道角動量電磁渦旋波的相位特性，從而保證遠距離傳輸的通信質量。

參照附圖8，對本發明實施例4放置單層電磁超表面4前後的遠場輻射方向圖作進一步的描述。

本發明中實施例4的高增益軌道角動量陣列天線整體結構示意圖與圖1相同，介質基板1和金屬地板2的形狀為正4邊形，介質基板1的相對介電常數εr為2.65，厚度h為0.8mm，天線陣元3的形狀為圓形，n為8，8個天線陣元3沿半徑r為60mm的圓周均勻等間隔排布組成陣列天線，陣列天線的工作頻率為10ghz，相應的波長λ為30mm，單層電磁超表面4設置於金屬地板2的上方，兩者之間的距離為16.9mm，單層電磁超表面4由附著在介質板41上沿x，y軸二維周期排布的p1×p2個電磁超表面單元42組成，p1為17，p2為18，排布間隔距離p為10mm，電磁超表面單元42是邊長為8mm的正四邊形，介質板41的相對介電常數εr為2.65，厚度t為1.5mm。通過對8個天線陣元3饋以等幅固定相差為-135deg的信號，可實現模態為3的軌道角動量電磁渦旋波。圖8中的橫坐標為方向角度(單位為deg)，縱坐標為增益(單位為db)，圖8中的曲線為實現3模態軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4前後的遠場輻射增益隨著方向角度的變化曲線。曲線d3為實現3模態軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4前的遠場輻射增益隨著方向角度的變化曲線，曲線d3c為實現0模態軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4後的遠場輻射增益隨著方向角度的變化曲線。陣列天線的主波束方向為方向角度上的最大增益。實現3模態軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4後相對於放置單層電磁超表面4前的主波束增益提高了7db，波束中心空域面積縮小，即可實現模態為3的軌道角動量渦旋電磁波遠距離傳輸。

參照附圖9，對本發明的實施例4放置單層電磁超表面4前後的近場平面上的相位分布圖作進一步的描述。

本發明中實施例4的高增益軌道角動量陣列天線整體結構示意圖與圖1相同，介質基板1和金屬地板2的形狀為正4邊形，介質基板1的相對介電常數εr為2.65，厚度h為0.8mm，天線陣元3的形狀為圓形，n為8，8個天線陣元3沿半徑r為60mm的圓周均勻等間隔排布組成陣列天線，陣列天線的工作頻率為10ghz，相應的波長λ為30mm，單層電磁超表面4設置於金屬地板2的上方，兩者之間的距離為16.9mm，單層電磁超表面4由附著在介質板41上沿x，y軸二維周期排布的p1×p2個電磁超表面單元42組成，p1為17，p2為18，排布間隔距離p為10mm，電磁超表面單元42是邊長為8mm的正四邊形，介質板41的相對介電常數εr為2.65，厚度t為1.5mm。通過對8個天線陣元3饋以等幅固定相差為-135deg的信號，可實現模態為3的軌道角動量電磁渦旋波。圖9中的橫坐標是近場平面二維坐標中的一維坐標(單位為mm)，縱坐標是近場平面二維坐標中的另一維坐標(單位為mm)，右側的顏色深淺代表相位值(deg)，近場平面為距離陣列天線法向17λ處尺寸為17λ×17λ的二維平面，圖9中的平面二維圖為實現3模態軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4前後的螺旋波前相位在近場平面上的二維分布。p3標記的平面二維圖為實現3模態軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4前的螺旋波前相位在近場平面上的二維分布，p3c標記的平面二維圖為實現3模態軌道角動量電磁渦旋波的陣列天線放置單層電磁超表面4後的螺旋波前相位在近場平面上的二維分布。陣列天線放置單層電磁超表面4前後的近場平面上的相位分布圖均能實現明顯的模態為3的軌道角動量渦旋電磁波特性，即單層電磁超表面4放置於陣列天線上可以在提高模態為3的軌道角動量主波束增益的同時保持軌道角動量電磁渦旋波的相位特性，從而保證遠距離傳輸的通信質量。

綜上所述，本發明可以實現四種模態的高增益角動量電磁渦旋波。在工作頻率10ghz處，圓環形天線陣放置單層電磁超表面4前的遠場輻射方向圖隨著角動量電磁渦旋波模態數的增加，波前光強為0的奇點區域面積增大，方向圖逐漸發散，不適應於遠距離傳輸角動量電磁渦旋波。在工作頻率10ghz處，圓環形天線陣放置單層電磁超表面4後的遠場輻射方向圖相對於未放置單層電磁超表面4的遠場輻射方向圖，在保持相同的軌道角動量角動量電磁渦旋波模態下，極大的縮減了波前光強為0的奇點區域面積，主波束向圓環形天線陣的輻射方向中軸線聚攏，大幅提升了主波束增益，從而解決了高階模態軌道角動量渦旋電磁波發射效率低、軌道角動量波束畸變、通信質量下降，無法實現通信系統的高效多通道傳輸，以及加工精度要求高，加工成本昂貴，工程實現性差等問題。

以上是本發明的四種具體模態的高增益軌道角動量渦旋電磁波，並不構成對本發明的任何限制。