CN105470638A - 一种径向阵轨道角动量多模复用天线 - Google Patents

Abstract

本发明属于通信技术领域，具体为一种径向阵轨道角动量多模复用天线。该天线包括两层起支撑作用的介质板、三层金属面、两个馈电端口和八个馈电探针；第一层为金属面层且有一馈电网络和两组八单元径向圆形微带天线阵列；第二层为介质板层且有一组八单元探针馈电用无覆铜通孔、两个线形切口和一个矩形切口；第三层为金属面且有一组八单元探针馈电用圆孔；第四层为介质板层且有一组八单元探针馈电用无覆铜通孔、两个线形切口和一个矩形切口；第五层为金属面层且有一个差馈电网络；两介质板通孔内对应八个等尺寸的理想电导体探针，连接背面馈电输出端口和正面一组径向均匀圆形微带天线阵列输入端口。本发明采用两组径向均匀圆形微带天线阵列及正面、背面移相馈电结合的方式实现了轨道角动量双模复用的特性。

Description

一种径向阵轨道角动量多模复用天线

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种径向阵轨道角动量多模复用天线。

背景技术

在当今信息化高速发展的时代，通信技术得到了迅猛的发展。现代无线通信主要基于微波、毫米波频段的电磁信号传输，数十年的无线通信技术发展已经将高速率、高宽带的通信技术以较低成本在大众生活间普及，如Wifi技术、4G通信技术等，使人们的生活质量日益升高。在现阶段下10Mb/s的速率已渐渐无法满足高速率、高带宽用户需求的情况下，各国加速了5G标准的预研和相关高速无线通信的研究。但是现实中频谱资源有限，提高通信速率就需要提高无线通信技术中的频谱利用率和编码效率。

编码技术应用广泛，如正交频分复用和码分多址技术等，提高频谱利用率则有空时编码、正交振幅调制等。但是，在更高速率需求下，需要一种新的提高频谱利用率的技术，携带有轨道角动量的电磁波传输技术应运而生。

携带有不同模值（拓扑核）轨道角动量的电磁波传播时相互正交，因而可在携不同模值轨道角动量的电磁波上建立相互正交的通信信道，同时轨道角动量的模值理论上是无限的，因而该技术有望大大提高现今无线通信技术的频谱利用率。而现今的携不同模值轨道角模值复用技术，需要高效率的轨道角动量发射接收天线、简单有效的模值复用控制结构，以及良好的波束保持效果等。

经对现有技术的文献检索发现，FabrizioTamburini等人于2012年3月在NewJournalofPhysics（新物理学期刊）第14卷第三期上发表了“Encodingmanychannelsonthesamefrequencythroughradiovorticity:firstexperimentaltest（基于无线电涡旋态的单频段多信道编码：首次实验验证）”，文中通过设计了单个螺旋抛物面天线产生了模值为+1的轨道角动量波，并用一个Yagi-Uda天线产生模值为0的轨道角动量波，首次验证性地进行多模复用通信，但该系统中复用结构离散、不高效，所设计的螺旋抛物面天线本身无法提供多模复用机制。检索还发现，QiangBai等人于2014年12月在ElectronicsLetters（电子快报）第50卷第20期上发表了“ExperimentalcircularphasedarrayforgeneratingOAMradiobeams（用于轨道角动量无线电波束产生的验证性圆形相控阵列）”，其利用印刷电路板技术，设计了同向且上下对称的轨道角动量微带天线阵列，及对应的适用于同向阵列的一分八馈电网络，实现了单个模值轨道角动量电磁波的产生，但是该项天线设计中亦无法实现多模复用的效果。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术中存在的不足和缺陷，提供一种新型径向阵轨道角动量多模复用天线，其通过相应激励能够同时产生两个不同模值的携带有轨道角动量的电磁波，结构紧凑，复用控制有效，易于加工，成本低。

本发明设计的径向阵轨道角动量多模复用天线，以ISM频段内的5.8GHz作为中心频点，天线本身实现了两个模式的轨道角动量电磁波的产生，且在对应的模式处均实现了较宽的-15dB带宽，天线两模式的耦合串扰的S参数幅值在-22dB以下，通过模拟验证，同模值组成信道的S参数传输系数幅值比不同模值组成信道的S参数传输系数幅值高出15dB以上，即多模复用信道间S参数幅值隔离度在15dB以上。

本发明设计的径向阵轨道角动量多模复用天线，其结构主要由两层介质板、两组八单元径向均匀圆形微带天线阵列、两个不同的等幅且相邻等相差的馈电网络，以及一个公共地金属面组成；如图1、图2、图3、图4、图5所示，具体包含：两个起支撑作用的介质板层（2（10）、4（13）），三个金属面层（1、3、5），两个馈电端口（9、15），一组八单元圆形馈电探针排列（12）；其中，金属面层（1）有：一个一分八、等幅、相邻等相差馈电网络（6），两组八单元径向均匀圆形微带天线阵列（7、8）；金属面层（3）有：一个公共金属面（11）；金属面层（5）有：一个一分八、等幅、相邻等相差馈电网络（14）。

本发明中，所述的馈电网络（6）有：一个一分二且带有一阶段相差的T型功分器（16），两个一分二且带有二阶段相差的T型功分器（17、18），四个一分二且带有三阶段相差的T型功分器（19、20、21、22）；其中，功分器（16）的输入端为一个50Ω的馈电端口，输出端按相位先后分别连接功分器（17）和功分器（18）的输入端；功分器（17）的输出端按相位先后分别连接功分器（20）和功分器（19）的输入端；功分器（18）的输出端按相位先后分别连接功分器（22）和功分器（21）的输入端。

本发明中，所述的馈电网络（14）有：一个一分二且带有一阶段相差的T型功分器（30），两个一分二且带有二阶段相差的T型功分器（31、32），四个一分二且带有三阶段相差的T型功分器（33、34、35、36）；其中功分器（30）的输入端为一个50Ω的馈电端口，输出端按相位先后分别连接功分器（31）和功分器（32）的输入端；功分器（31）的输出端按相位先后分别连接功分器（33）和功分器（34）的输入端；功分器（32）的输出端按相位先后分别连接功分器（35）和功分器（36）的输入端。

本发明中，所述的天线阵列（7），为八单元径向排布的均匀圆形阵列，对应单元为微带侧馈的矩形微带天线，且侧馈端口分别与功分器（19、20、21、22）的输出端相接。

本发明中，所述的天线阵列（8），为八单元径向排布的均匀圆形阵列，对应单元为微带侧馈的矩形微带天线。

本发明中，所述的公共金属面（11），为公共地金属面，其含有一组八单元探针馈电用圆孔（27），两个线形切角（28、29）；其中，圆孔（27）使得馈电探针（12）与保持隔离，线形切角（28）为便于与馈电端口（15）形状匹配，线形切角（29）为便于与馈电端口（9）形状匹配。

本发明中，所述的介质板（10）有：一组八单元圆形探针馈电用无覆铜通孔（23），两个线形切角（24、26），在线形切角（24）处有一个矩形切口（25），为低介电常数材质，厚度为1.5mm；其中，线形切角（24）为便于与馈电端口（25）形状匹配，线形切角（26）为便于与馈电端口（9）形状匹配，矩形切口（25）是为了便于馈电端口（15）的接地端焊接。

本发明中，所述的介质板（13）有：一组八单元圆形探针馈电用无覆铜通孔（37），两个线形切角（39、40），在线形切角（39）处有一个矩形切口（38），为低介电常数材质，厚度为1.5mm；其中，线形切角（39）为便于与馈电端口（9）形状匹配，线形切角（40）为便于与馈电端口（15）形状匹配，矩形切口（38）是为了便于馈电端口（9）的接地端焊接。

本发明中，所述的馈电探针排列（12），呈均匀圆形阵列，探针阵列的上下端分别贯穿介质板（10）的通孔（23）、介质板（13）的通孔（37）和公共金属面（11）的圆孔（27），并对应连接功分器（33、34、35、36）的输出端和天线阵列（8）的输入端。

本发明中，给出了新型的径向轨道角动量均匀圆形阵列，并采用了背馈和表面微带馈的两种馈电方式，分别给两组径向均匀圆形阵列馈入等幅、相邻等相差的信号输入，从而能够同时产生两个不同模值的轨道角动量电磁波，两模值相互正交，从而给出了新型的径向阵轨道角动量多模复用天线。该天线同时采用正面馈和背馈以及公共地，同时将两组阵列设计在一个圆形中，实现了紧凑且有效的复用结构设计。该天线采用印刷电路板技术，易于加工，微带馈电方便。理论上，通过调节各功分器相位差枝节，可实现对应于不同模值的多模复用。与一般的轨道角动量微带天线相比，本发明设计了新的径向阵圆形阵列结构，同时实现了紧凑有效的多模复用机制。

附图说明

图1为本发明径向阵轨道角动量多模复用天线的三维总体示意图。

图2为本发明径向阵轨道角动量多模复用天线的三维爆炸示意图。

图3为本发明径向阵轨道角动量多模复用天线的第一、二层示意图。

图4为本发明径向阵轨道角动量多模复用天线的第三层示意图。

图5为本发明径向阵轨道角动量多模复用天线的第四、五层示意图。

图6为本发明径向阵轨道角动量多模复用天线的多模发射系数、模式间耦合示意图。

图7为本发明径向阵轨道角动量多模复用天线的模一辐射特性示意图。

图8为本发明径向阵轨道角动量多模复用天线的模二辐射特性示意图。

图9为本发明径向阵轨道角动量多模复用天线的模一电场幅值示意图。

图10为本发明径向阵轨道角动量多模复用天线的模二电场幅值示意图。

图11为本发明径向阵轨道角动量多模复用天线的模一电场相位示意图。

图12为本发明径向阵轨道角动量多模复用天线的模二电场相位示意图。

图13为本发明径向阵轨道角动量多模复用天线的收发复用模拟示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：包括两个起支撑作用的介质板（10、13），两个激励端口（9、15），两个不同的馈电网络（6、14），两组径向均匀圆形阵列（7、8），一个公共地金属面（11），一组圆形馈电探针（12）。

如图2所示，本实施例包含有由上到下五层（1、2、3、4、5）和贯穿顶层和底层的馈电探针（12）。

如图3所示，本实施例所述的馈电网络（6），有：一个一分二且带有180°相差的T型功分器（16），两个一分二且带有90°相差的T型功分器（17、18），四个一分二且带有45°相差的T型功分器（19、20、21、22）；其中功分器（16）的输入端为一个50Ω的馈电端口，输出端按相位先后分别连接功分器（17）和功分器（18）的输入端；功分器（17）的输出端按相位先后分别连接功分器（20）和功分器（19）的输入端；功分器（18）的输出端按相位先后分别连接功分器（22）和功分器（21）的输入端。

如图3所示，所述的天线阵列（7），为八单元径向排布的均匀圆形阵列，对应单元为微带侧馈的矩形微带天线，且侧馈端口分别与功分器（19、20、21、22）的输出端相接。

如图3所示，所述的天线阵列（8），为八单元径向排布的均匀圆形阵列，对应单元为微带侧馈的矩形微带天线。

如图3所示，所述的介质板（10），有一组八单元圆形探针馈电用无覆铜通孔（23），两个线形切角（24、26），在线形切角（24）处有一个矩形切口（25），相对介电常数为2.65，厚度为1.5mm；其中，线形切角（24）为便于与馈电端口（25）形状匹配，线形切角（26）为便于与馈电端口（9）形状匹配，矩形切口（25）是为了便于馈电端口（15）的接地端焊接。

如图4所示，所述的公共金属面（11），为公共地金属面，其含有一组八单元探针馈电用圆孔（27），两个线形切角（28、29）；其中，圆孔（27）使得馈电探针（12）与保持隔离，线形切角（28）为便于与馈电端口（15）形状匹配，线形切角（29）为便于与馈电端口（9）形状匹配。

如图4所示，所述的馈电探针排列（12），呈均匀圆形阵列，探针阵列的上下端分别贯穿介质板（10）的通孔（23）、介质板（13）的通孔（37）和公共金属面（11）的圆孔（27），并对应连接功分器（33、34、35、36）的输出端和天线阵列（8）的输入端。

如图5所示，所述的介质板（13）有：一组八单元圆形探针馈电用无覆铜通孔（37），两个线形切角（39、40），在线形切角（39）处有一个矩形切口（38），相对介电常数为2.65，厚度为1.5mm；其中，线形切角（39）为便于与馈电端口（9）形状匹配，线形切角（40）为便于与馈电端口（15）形状匹配，矩形切口（38）是为了便于馈电端口（9）的接地端焊接。

如图5所示，所述的馈电网络（14）有：一个一分二且带有180°相差的T型功分器（30），两个一分二且带有90°相差的T型功分器（31、32），四个一分二且带有45°相差的T型功分器（33、34、35、36）；其中功分器（30）的输入端为一个50Ω的馈电端口，输出端按相位先后分别连接功分器（31）和功分器（32）的输入端；功分器（31）的输出端按相位先后分别连接功分器（33）和功分器（34）的输入端；功分器（32）的输出端按相位先后分别连接功分器（35）和功分器（36）的输入端。

如图6所示，本实施例的发射系数特性和模式间耦合特性。其中横坐标代表频率变量，单位为GHz，纵坐标代表S参数幅度变量，单位为dB。本实例中两个模式在频点处的反射系数均在-15dB以下，两个模之间的耦合度在频点处的耦合度在-22dB以下。

如图7所示，本实施例+1模的辐射特性。天线在频点处的最大增益为12.463dB。

如图8所示，本实施例-1模的辐射特性。天线在频点处的最大增益为10.091dB。

如图9所示，本实施例+1模的电场幅值图（距离50cm）。对应+1模产生了螺旋态的电场。

如图10所示，本实施例-1模的电场幅值图（距离50cm）。对应-1模产生了螺旋态的电场。

如图11所示，本实施例+1模的电场相位图（距离60cm）。对应+1模产生了螺旋相位波前。

如图12所示，本实施例-1模的电场相位图（距离60cm）。对应-1模产生了螺旋相位波前。

如图13所示，本实施例收发复用模拟示意图。在100cm的收发复用模拟结果中，同模值组成信道的S参数传输系数幅值比不同模值组成信道的S参数传输系数幅值高出15dB以上，即多模复用信道间S参数幅值隔离度在15dB以上。

Claims (9)

1.一种径向阵轨道角动量多模复用天线，其特征在于，包含两个起支撑作用的介质板层（10、13），三个金属面层（1、3、5），两个馈电端口（9、15），一组八单元圆形馈电探针排列（12）；第一金属面层（1）有：第一一分八、等幅、相邻等相差的馈电网络（6），两组八单元径向均匀圆形微带天线阵列（7、8）；第二金属面层（3）有：一个公共金属面（11）；第三金属面层（5）有：第二一分八、等幅、相邻等相差的馈电网络（14）。

2.如权利要求1所述的径向阵轨道角动量多模复用天线，其特征在于，所述的第一馈电网络（6）有：一个一分二且带有一阶段相差的T型功分器（16），两个一分二且带有二阶段相差的T型功分器（17、18），四个一分二且带有三阶段相差的T型功分器（19、20、21、22）；

其中，第一T型功分器（16）的输入端为一个50Ω的馈电端口，输出端按相位先后分别连接第二T型功分器（17）和第三T型功分器（18）的输入端；第二T型功分器（17）的输出端按相位先后分别连接第五T型功分器（20）和第四T型功分器（19）的输入端；第三T型功分器（18）的输出端按相位先后分别连接第七T型功分器（22）和第六T型功分器（21）的输入端。

3.如权利要求2所述的径向阵轨道角动量多模复用天线，其特征在于，所述的第二馈电网络（14）有：一个一分二且带有一阶段相差的T型功分器（30），两个一分二且带有二阶段相差的T型功分器（31、32），四个一分二且带有三阶段相差的T型功分器（33、34、35、36）；

其中，第八T型功分器（30）的输入端为一个50Ω的馈电端口，输出端按相位先后分别连接第九T型功分器（31）和第十T型功分器（32）的输入端；第九T型功分器（31）的输出端按相位先后分别连接第十一T型功分器（33）和第十二T型功分器（34）的输入端；第十T型功分器（32）的输出端按相位先后分别连接第十三T型功分器（35）和第十四T型功分器（36）的输入端。

4.如权利要求1、2或3所述的径向阵轨道角动量多模复用天线，其特征在于，第一天线阵列（7），为八单元径向排布的均匀圆形阵列，对应单元为微带侧馈的矩形微带天线，且侧馈端口分别与第四、第五、第六、第七T型功分器（19、20、21、22）的输出端相接。

5.如权利要求1、2或3所述的径向阵轨道角动量多模复用天线，其特征在于，第二天线阵列（8），为八单元径向排布的均匀圆形阵列，对应单元为微带侧馈的矩形微带天线。

6.如权利要求1、2或3所述的径向阵轨道角动量多模复用天线，其特征在于，所述的公共金属面（11），为公共地金属面，其含有一组八单元探针馈电用圆孔（27），两个线形切角（28、29）；

其中，圆孔（27）使得馈电探针（12）与保持隔离，第一线形切角（28）为便于与第一馈电端口（15）形状匹配，第二线形切角（29）为便于与第二馈电端口（9）形状匹配。

7.如权利要求1、2或3所述的径向阵轨道角动量多模复用天线，其特征在于，第一介质板（10），有一组八单元圆形探针馈电用无覆铜通孔（23），两个线形切角（24、26），在第三线形切角（24）处有一个矩形切口（25），为低介电常数材质，厚度为1.5mm；

其中，第三线形切角（24）为便于与第一馈电端口（25）形状匹配，第四线形切角（26）为便于与第二馈电端口（9）形状匹配，矩形切口（25）为便于第一馈电端口（15）的接地端焊接。

8.如权利要求1、2或3所述的径向阵轨道角动量多模复用天线，其特征在于，所述的第二介质板（13），有一组八单元圆形探针馈电用无覆铜通孔（37），两个线形切角（39、40），在第五线形切角（39）处有一个矩形切口（38），为低介电常数材质，厚度为1.5mm；

其中，第五线形切角（39）为便于与第一馈电端口（9）形状匹配，第六线形切角（40）为便于与第二馈电端口（15）形状匹配，矩形切口（38）为便于第一馈电端口（9）的接地端焊接。

9.如权利要求1、2或3所述的径向阵轨道角动量多模复用天线，其特征在于，所述的馈电探针排列（12），呈均匀圆形阵列，探针阵列的上下端分别贯穿第一介质板（10）的通孔（23）、第二介质板（13）的通孔（37）和公共金属面（11）的圆孔（27），并对应连接第十一、第十二、第十三、第十四T型功分器（33、34、35、36）的输出端和第二天线阵列（8）的输入端。