CN106229618A - 用于产生射频oam波束的圆环形椭圆微带结构天线及复用器 - Google Patents

Abstract

本发明属于射频OAM无线通信技术领域，具体提供用于产生射频OAM波束的圆环形椭圆微带结构天线及复用器，用以克服现有天线馈电系统及天线结构的复杂、不易集成、加工成本高昂等缺点；本发明包括介质基板、设置于介质基板上的椭圆微带天线、设置于介质基板下的接地板；椭圆形微带天线在其中心开有圆形槽；椭圆微带天线采用同轴探针馈电。本发明天线结构简单、仅通过同轴单馈即可产生射频OAM波束，能够大大缩小天线尺寸，使天线的结构更紧凑，从而有利于集成，并且功耗和成本都大大降低。同时，本发明通过在同一介质基板上以同心圆的形式设置多个圆环形椭圆微带天线，即得到一种射频OAM波束复用器，实现射频OAM波束的复用。

Description

用于产生射频OAM波束的圆环形椭圆微带结构天线及复用器

技术领域

本发明属于射频OAM无线通信技术领域，具体涉及用于产生射频OAM波束的圆环形椭圆微带结构天线及复用器。

背景技术

随着无线通信技术的高速发展，无线通信系统所分配的频谱资源变得异常拥挤，系统容量变得日益匮乏，频谱资源问题和系统容量问题已逐渐成为阻碍无线移动通信与服务应用持续发展的瓶颈。为满足无线通信技术高速发展所带来的移动数据业务爆炸式增长，迫切需要更高速、更高效、更智能的新一代无线通信技术。从3G的CDMA到4G的OFDM，每一代移动通信系统的演进都伴随着革命性技术的出现。为了进一步提升系统容量以及频谱效率满足未来移动数据业务需求，轨道角动量(OAM)技术的出现为解决上述问题提供了方法。

电磁波不仅具有能量，而且还有轨道角动量(OAM)。轨道角动量(OAM)反映的是电磁波围绕传播方向轴的方位角的相位变化。因此，对于任意频率的电磁波，全部射频OAM构成一组相互正交的、数目无线多的本征模式。射频OAM无线通信就是利用OAM模式这一特征，作为新的可供调制或复用的参数维度资源，从而进一步提高频谱效率和系统容量。

目前，产生轨道角动量的方法主要有投射螺旋结构、投射光栅结构、螺旋反射面结构、天线阵列结构；然而通过对各个结构的分析我们发现：

1.投射螺旋结构只能针对一定的频率，并且产生的涡旋电磁波也只能集中在介质基板大小的区域内，而介质基板外面的区域依然是平面波；

2.投射光栅结构产生轨道角动量，其制作全息光栅的过程复杂，制作过程技术要求含量高，使成本大大增加；

3.螺旋反射面结构简单易于实现，但是只能针对特定的频率做出移相，并且一个确定的几何结构只能产生一种模式的OAM波，若需生成不同的OAM波束，则必须调整螺旋反射面的尺寸，这在实际应用中会造成不便；

4.相控阵列天线虽然能实现射频OAM的复用，但是对各个阵元间的相位控制要求严格，并且同时需要对多段口进行馈电，这将增加相控阵天线的复杂程度。

上述结构都是产生射频OAM波束的天线装置，或是结构复杂，或是加工技术要求高，或是馈电系统复杂等等，都将导致成本增加，不易集成，不利于加快和促进未来射频OAM波束在无线通信领域的高速发展和应用。因此，一种天线结构简单，馈电结构简单且易与现有通信系统集成的轨道角动量天线，对于提高无线通信系统的信道容量，加快射频OAM在无线通信系统的领域的应用，显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的问题及不足，天线的馈电系统及天线结构的复杂，不易集成，加工成本高昂等；提供一种基于单馈的圆环形椭圆微带结构产生射频OAM波束的天线，以及基于此天线的射频OAM波束复用器。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

用于产生射频OAM波束的圆环形椭圆微带结构天线，其特征在于，包括介质基板、设置于介质基板上的椭圆微带天线、设置于介质基板下的接地板；所述椭圆形微带天线在其中心开有圆形槽；所述椭圆微带天线采用同轴探针馈电。

进一步地，所述的圆形槽的中心位于椭圆微带天线的中心，其尺寸根据射频OAM模式确定。

进一步地，所述的同轴探针馈电为单馈，馈电位置根据射频OAM模式确定。

进一步地，所述椭圆微带天线的尺寸根据射频OAM模式确定。

本发明还提供了一种基于上述圆环形椭圆微带结构天线的射频OAM波束复用器，所述射频OAM波束复用器包括多个工作在不同模式的圆环形椭圆微带结构天线，所述多个圆环形椭圆微带结构天线以同心的方式共同设置在同一介质基板上。

本发明的有益效果为：

本发明针对无线通信业务频谱资源拥挤、系统容量匮乏，提出了一种新的简单可行的能够产生射频OAM波束的天线，以及在此基础上提供了一种射频OAM复用器。本发明天线结构为圆环形椭圆微带天线，通过一个同轴馈电点即可使天线产生射频OAM波束。与现有技术相比，本发明天线结构简单、馈电系统简便，通过同轴单馈即可产生射频OAM波束，因而，本发明能够大大缩小天线尺寸，天线的结构更紧凑，天线系统的设计变得更加简便，从而使上述天线易于集成，且功耗和成本都大大降低。同时，通过在同一介质基板上以同心圆的形式设置多个圆环形椭圆微带天线，即可得到一种射频OAM波束复用器，从而实现射频OAM波束的复用。本发明对于构建射频OAM无线通信系统，促使射频OAM无线通信系统的实用化具有非常重要的作用。

附图说明

图1为本发明用于产生射频OAM波束的圆环形椭圆微带结构天线的结构示意图；

图2为本发明提供工作模式l＝1的圆环形椭圆微带结构天线在空间辐射的电场测试结果图，其中，(a)为电场强度分布图，(b)为电场相位分布图；

图3为本发明提供工作模式l＝3的圆环形椭圆微带结构天线在空间辐射的电场测试结果图，其中，(a)为电场强度分布图，(b)为电场相位分布图；

图4为本发明提供的射频OAM波束复用器的结构示意图；

其中，1为椭圆微带天线、2为介质基板、3为接地板、C₁为圆形槽、p1为同轴馈电点。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明，但本发明并不局限于具体实施方式。

本发明提供用于产生射频OAM波束的圆环形椭圆微带结构天线，其结构如图1所示，包括介质基板2、设置于介质基板2上的椭圆微带天线1、设置于介质基板2下的接地板3；所述椭圆形微带天线1在其中心开有圆形槽c1；所述椭圆微带天线1设置有一个同轴馈电点p1、采用同轴探针馈电；所述的圆形槽的中心位于椭圆微带天线的中心，在不同的射频OA M模式中圆形槽的大小进行相应调整；所述的同轴探针馈电为单馈，馈电位置视不同的射频OAM模式位置调整；所述的圆环形椭圆微带天线产生不同的射频OAM模式波束时，可以通过调整椭圆微带天线的长轴和短轴尺寸来调节。

如图4所示为基于上述圆环形椭圆微带结构天线的射频OAM波束复用器，包括多个工作在不同模式的圆环形椭圆微带天线，所述多个圆环形椭圆微带天线以同心的方式共同设置在同一介质基板上，所述每个圆环形椭圆微带天线上沿每个圆形椭圆微带天线的椭圆圆周上均只设置一个同轴馈电端口。

实施例1

步骤1：设计工作模式l＝1，工作频率f＝5.8GHz的圆环形椭圆微带天线，采用Rogers5880，介电常数ε_r＝2.2，厚度h＝0.787mm，微带天线介质基板的长和宽都为L ₀＝30mm，椭圆微带天线的长轴长度L_a＝10mm(长轴沿x轴方向放置)，短轴(L_b)和长轴(L_a)的比值Ratio＝0.95，圆形槽的半径R_c＝2mm，同轴馈电点距离圆心距离L_feed＝3.9mm，与x轴方向的夹角为

同轴馈电端50Ω阻抗匹配可以根据下式得到：

$Z_{in}=\frac{60}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}ln\left(\frac{b}{a}\right)$

其中，Z_in为输入阻抗，a为同轴内半径，b为同轴外半径。同轴馈电时取a＝0.5mm,b＝1.7mm进行50Ω阻抗匹配。

步骤2：在电磁仿真软件HFSS中，按步骤1给出的数据进行建模，然后仿真到圆环形微带天线在空间辐射的电场强度分布图，如图2(a)，电场相位分布图，如图2(b)，由电场相位围绕传播方向轴(z轴)的圆周角的变化呈现涡旋特性，且电场相位沿圆周一圈变化满足2πl＝2π，符合工作模式为1的螺旋波束。

实施例2

步骤1：设计工作模式l＝3，工作频率f＝5.8GHz的圆环形椭圆微带天线，采用Rogers5880，介电常数ε_r＝2.2，厚度h＝0.787mm，微带天线介质基板的长和宽都为L ₀＝65mm，椭圆微带天线的长轴长度L_a＝23.8mm(长轴沿x轴方向放置)，短轴(L_b)和长轴(L_a)的比值Ratio＝0.85，圆形槽的半径R_c＝12.1mm，同轴馈电点距离圆心距离L_feed＝13mm，与x轴方向的夹角为

同轴馈电端50Ω阻抗匹配可以根据下式得到：

$Z_{in}=\frac{60}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}ln\left(\frac{b}{a}\right)$

其中，Z_in为输入阻抗，a为同轴内半径，b为同轴外半径。同轴馈电时取a＝0.5mm,b＝1.7mm进行50Ω阻抗匹配。

步骤2：在电磁仿真软件HFSS中，按步骤1给出的数据进行建模，然后仿真到圆环形微带天线在空间辐射的电场强度分布图，如图3(a)，电场相位分布图，如图3(b)，由电场相位围绕传播方向轴(z轴)的圆周角的变化呈现涡旋特性，且电场相位沿圆周一圈变化满足2πl＝6π，符合工作模式为3的螺旋波束。

如图4所示，进一步地，基于实施例1和实施例2中设计的圆环形椭圆微带天线，计算得到工作模式l＝1,3时，相应圆环形椭圆微带天线的结构尺寸；将上述不同工作模式的圆环形椭圆微带天线以同心的方式共同设置于一块介质基板上，所述的每个圆环形椭圆微带天线均只设置一个同轴馈电激励，从而得到射频OAM波束复用器。

上面结合附图对本发明实施例进行了详述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式。本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求的保护范围下，还可以设计出工作在其他频率和其他工作模式的，可以产生射频OAM螺旋波束的HM-SIW环形谐振腔天线。本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (4)

1.用于产生射频OAM波束的圆环形椭圆微带结构天线，其特征在于，包括介质基板、设置于介质基板上的椭圆微带天线、设置于介质基板下的接地板；所述椭圆形微带天线在其中心开有圆形槽；所述椭圆微带天线采用同轴探针馈电。

2.按权利要求1所述用于产生射频OAM波束的圆环形椭圆微带结构天线，其特征在于，所述的圆形槽的中心位于椭圆微带天线的中心，其尺寸根据射频OAM模式确定。

3.按权利要求1所述用于产生射频OAM波束的圆环形椭圆微带结构天线，其特征在于，所述的同轴探针馈电为单馈，馈电位置根据射频OAM模式确定。

4.一种基于圆环形椭圆微带结构天线的射频OAM波束复用器，所述射频OAM波束复用器包括多个工作在不同模式的圆环形椭圆微带结构天线，所述多个圆环形椭圆微带结构天线以同心的方式共同设置在同一介质基板上。