CN105762507B - 一种产生涡旋电磁波的单极子天线阵列及其馈电系统 - Google Patents

一种产生涡旋电磁波的单极子天线阵列及其馈电系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种产生涡旋电磁波的单极子天线阵列及其馈电系统，属于无线通信技术领域。本发明包括介质基板、接地面、馈电系统和单极子天线阵列。所述介质基板是形状为圆形的绝缘介质基板，其表面上方是由金属材料印刷而成的微带电路。微带电路主要分为两个部分，一部分是1路分N路的馈电系统，另一个部分是由1/4波长金属贴片作为阵元组成的N阵元单极子天线阵列。本发明实现了一种体积小、易生产、具有平面结构、易集成的产生涡旋电磁波的天线。同时还设计了一套完整的馈电系统，解决了阵列天线的馈电问题，只需在输入端口施加激励即可得到所需的OAM模态，方便操作，使用简单。

Description

一种产生涡旋电磁波的单极子天线阵列及其馈电系统
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，更具体地，涉及一种产生涡旋电磁波的单极子天线阵列及其馈电系统。
背景技术
随着智能终端的普及以及移动互联网应用的发展，频谱利用率和系统容量已经趋近香农极限，容量需求不断扩大与频谱资源日益短缺的矛盾成为了限制无线通信技术发展的一大瓶颈。在光学领域，利用光束的轨道角动量，光通信系统的传输能力得到了很大程度的扩展。因此，轨道角动量作为一项新型技术从光学领域被引入到了无线通信领域。理论上可以证明，同一频率的电磁波拥有无穷多个OAM模式，且各模式之间相互正交。因此，轨道角动量可以作为继时间，空间，码型，频率之后一个新的复用维度。利用这一特性，可以在同一带宽内并行传输多路携带有不同模式数的电磁波，有望实现在不增加系统带宽的情况下，极大地提高系统容量，有效解决频率资源短缺的问题。
2012年，B.Thidé等人利用改造的螺旋抛物面天线和八木天线在2.414GHz的频带上实现了两个模式数分别为0和1的正交OAM信道，在同一频带内实现了两路信号同时传输。首次验证了在自然环境中携带轨道角动量的电磁波可以在无线通信中进行信息传输，实现了微波涡旋通信。见F.Tamburiniet al.,Tamburini,Fabrizio,et al."Encoding manychannels in the same frequency through radio vorticity:first experimentaltest."New Journal of Physics 14.3(2011):811-815.
为了在无线通信系统中利用OAM，第一步就是要高效地产生携带轨道角动量的电磁波。根据已有文献资料，携带OAM的波束可以通过N个阵元的相控圆形阵列来产生，条件是使天线阵元沿z轴对称均匀排列，为各阵元馈送幅度相等的信号，且使相邻阵元之间的馈电相位差为±2πl/N，使得涡旋波束围绕轴线旋转一周后，相位刚好增加±2πl。其中l为所需要的OAM模态值，可以通过改变阵元之间馈电相位差来产生不同的OAM模态。而普遍采用的相控阵天线大多是非平面化的结构导致不利于集成。且目前研究重心主要集中在相控阵天线的形式，没有设计出成熟有效的馈电系统。由于该结构的天线对相位误差很敏感，因此如何设计出满足条件的馈电系统具有重要意义。
发明内容
本发明提供了一种产生涡旋电磁波的单极子天线阵列以及完整的馈电系统，解决了现有的相同功能阵列天线体积大，不易集成不方便摆放的缺点，同时提出了一种性能优良的馈电系统，方便使用，操作简单。
本发明提出的单极子天线阵列及其馈电系统包括介质基板、单极子天线阵列、馈电系统、接地面四部分。
所述介质基板半径为R的圆形绝缘介质基板，其上表面是由金属材料印刷而成的微带电路，下表面是半径为r的圆形的接地板。介质基板上方的微带电路主要分为两个部分，一个部分是功率分配器和不同长度的微带线组成的馈电系统，另一个部分是由N个单极子天线作为阵元组成的天线阵列，其中每个单极子天线的长度均为λ0/4。信号从馈电系统的输入端口馈入，经过一个功率分配器，得到功率以及相位都相等的两路信号，然后通过不同长度的微带线产生2πl/N的相位差，反复使用这些结构就可以在馈电系统的N个输出端口处产生功率相同且相邻端口之间相位差为2πl/N的N路信号。N个输出端口均匀等间隔地排布在半径为r的圆周上，为N阵元的单极子天线阵列馈电。
N个单极子天线均匀、射线状排布在半径为r的圆周上，相邻天线之间的夹角为2π/N。N个单极子天线阵元通过馈电系统的N个输出端口被馈以幅度相等，相位相继相差2πl/N的信号，即可在垂直于天线的平面内产生模式数为l的涡旋电磁波。
与现有的产生涡旋电磁波的天线结构相比，本发明利用结构简单的单极子天线作为阵元，实现了一种体积小，易生产，具有平面结构，易集成的涡旋电磁波产生天线。同时还设计了一套完整的馈电系统，解决了阵列天线的馈电问题，只需要在一个端口输入激励即可得到所需的OAM模态，方便操作，使用简单。
附图说明
图1(A)为本发明实施例1的侧视图；
图1(B)为图1(A)的俯视图；
图1(C)为图1(A)的仰视图；
图1(D)为图1(B)中馈电网络的放大图；
图1(E)为实施例1所示天线传播方向上的某一平面电场。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1(A)、图1(B)、图1(C)所示，本发明的实施例1，包括介质基板(10)、N阵元单极子天线阵列(20)、馈电系统(30)和圆形接地板(40)；
所述介质基板(10)为形状是圆形的绝缘介质基板，其上表面附有N＝8阵元的单极子天线阵列(20)和馈电系统(30)；下表面附有圆形接地板(40)。介质基板(10)与接地板(40)的圆心重合。馈电网络(30)分布在与接地板(40)半径相同的圆形区域内(如图1(B)中红色虚线框所示)，与介质基板(10)和接地板(40)构成微带线结构；天线下方无接地板。介质基(10)采用FR 4材料，相对介电常数εr为4.4，厚度H为0.8mm，半径R为60mm。接地板材料为铜，半径r为42mm。
图1(D)为图1(B)中馈电网络的放大图。该馈电网络由功率分配器(31)、不同长度微带线(32)组成，产生模式数l＝2的输出信号,即相邻端口之间的信号相位差为90°。8个输出端口得到的信号均由输入信号从I点馈入，并先后经过3个功率分配器(31)得到。每个端口的信号功率均为输入信号功率的1/8，相邻端口之间的信号相位差90°由不同长度的微带线(32)进行调节。该馈电网络中有两种宽度的微带线，分别为W1＝4.08mm，W2＝0.76mm。
8个单极子天线从馈电网络的8个端口呈射线状延伸出去，相邻两天线之间的夹角为45°；每个单极子天线的长度为频率f＝3.4GHz对应的自由空间波长的1/4，宽度为W2。8个端口分别给对应的8个单极子天线馈电，即可产生模式l＝2的涡旋电磁场。
图1(E)为本实施例的天线正上方的某一平面电场。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种由产生涡旋电磁波的单极子天线阵列构成的装置，其特征在于，包括：半径为R的圆形绝缘介质基板(10)，其上表面是由金属材料印刷而成的微带电路，包括N阵元的单极子天线阵列(20)，以及一个输入端口、N个输出端口的馈电系统(30)；下表面是半径为r的圆形接地板(40)，其中r<R，其圆心与介质基板(10)的圆心重合，r的取值使得接地板恰好覆盖馈电电路；εr是介质基板的相对介电常数，H为介质基板的厚度，f为天线的工作频率；λ0为频率对应的自由空间波长；馈电系统由功率分配器(31)和不同长度的微带线(32)组成，其中微带线的长度不同是为了达到相位延迟输出的作用；N个输出端口均匀等间隔地排布在半径为r的圆周上并与单极子天线阵列的N个阵元相连接；从输入端口馈入信号，N个阵元通过馈电系统的N个输出端口被馈以幅度相等，相位相继相差2πl/N的信号，从而在天线的传播方向上产生模式数为l的涡旋电磁波，其中模式数l是满足|l|＜N/2的整数。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述单极子天线阵列(20)由N个单极子天线作为阵元组成，其中每个单极子天线的长度均为λ0/4，N个单极子天线均匀、射线状排布在半径为r的圆周上，相邻天线之间的夹角为2π/N，单极子天线被设计成贴片状。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：贴片的宽和高与馈电系统的输出端口微带线的尺寸相同。
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