CN106329105A - 一种用于产生oam波的环形缝隙天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于产生OAM波的环形缝隙天线，包括介质基板、矩形金属贴片阵列和环形缝隙金属板；环形缝隙金属板设置在介质基板的正面，矩形金属贴片均匀阵列分布在介质基板背面与环形缝隙金属板的环形缝隙正对的位置；矩形金属贴片的长度大于环形缝隙宽度；其优选方案还包括馈电电路和金属反射板；馈电电路包括相移器和功分器，用于将一路输入信号分成N路幅值相等、相位等差的输出信号，经由矩形金属贴片阵列给环形缝隙天线馈电；金属反射板位于环形缝隙天线下方，以增强天线的正向辐射。本发明提供的这种环形缝隙天线天线能够产生特定模式的OAM波，为生成OAM波提供了一种低成本、微型化的解决方法。

Description

一种用于产生OAM波的环形缝隙天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，更具体地，涉及一种用于产生OAM波的环形缝隙天线。
背景技术
随着电子和通信技术的迅速发展，对带宽的需求不断提高，而频率资源有限。Allen等人提出利用轨道角动量(OAM)来扩大通信信道容量。OAM波最先被应用在光通信领域，但是由于光通信的波长比无线电通信的波长要短很多，所以高质量的透镜、全息干板、螺旋相位板和分路器在光通信领域可以用来产生OAM波，而在无线电通信领域由于波长太长的缘故则难以实现。
现有技术中，在毫米波范围内，可以采用螺旋相位板天线来产生OAM波，能较好地解决较高频段(比如毫米波段)的OAM产生问题。在无线通信的低频段(厘米波段)，采用改进的抛物面天线、天线阵列来产生OAM波；但改进的抛物面天线为立体天线，制作工艺复杂，体积大不易使用；而且天线阵列结构较为复杂，其非平面化的结构不易集成，不利于使用；申请号为201610078089.2的专利公开了一种产生OAM波的单极子天线阵列，该单极子天线阵列采用的单极子天线物理长度固定为波长的1/4；其缺陷在于：随着接收信号工作频率的变化，需改变单极子天线物理长度；不能灵活的自适应接收信号工作频率的变化。
发明内容
本发明提供了一种用于产生OAM波的环形缝隙天线，其目的在于解决现有用于产生OAM波的天线的工艺、结构复杂，不易集成的技术问题。
为实现本发明目的，按照本发明的一个方面，提供了一种环形缝隙天线，包括介质基板、矩形金属贴片阵列和环形缝隙金属板；
其中，环形缝隙金属板设置在介质基板的正面，矩形金属贴片阵列的I个矩形金属贴片均匀分布在介质基板背面与环形缝隙正对的位置；矩形金属贴片的长度大于环形缝隙宽度；其中，I为正整数。
优选的，上述环形缝隙天线，还包括馈电电路；馈电电路由金属材料印制在介质基板的下表面，且分布在与环形缝隙金属板的环形缝隙内半径为R1的圆形金属板对应的下方区域，并将该圆形金属板作为接地面，构成微带电路；
馈电电路包括功率分配器和多个不同长度的微带线；其中，功率分配器用于把输入信号分成两个幅度相等的输出信号，多个不同长度的微带线用于实现相位变换。
优选的，上述环形缝隙天线，其馈电电路具有N个输出端口；这N个输出端口等间隔地均匀分布在半径为R1的圆周上，各输出端口与各矩形金属贴片对应、且与所对应的矩形金属贴片相连；其中，N为大于1的正整数；
该馈电电路用于根据接收到的信号在这N个输出端口处产生功率相同且相邻端口之间相位差为2πk/N的N路相位延迟信号；将这N路相位延迟信号从各端口分配给环形缝隙天线；环形缝隙天线根据接收到的相位延迟信号在垂直于天线的平面内产生模式数为k的涡旋电磁波。
优选的，上述环形缝隙天线，还包括金属反射板；金属反射板位于馈电电路的下方，与馈电电路之间的间距为h，用于反射环形缝隙天线下方的电场，以增强正向电场值，且改善环形缝隙天线的方向性。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的用于产生OAM波的环形缝隙天线，为平面型的电路板结构；与抛物面天线、螺旋相位板天线相比，结构简单，易于制作与集成；
(2)本发明提供的用于产生OAM波的环形缝隙天线与现有技术中产生OAM波的单极子天线阵列相比，其矩形金属贴片的长度l大于环形缝隙宽度w即可；由于矩形金属贴片的长度减小，由此可进一步减小天线尺寸；
(3)本发明提供的用于产生OAM波的环形缝隙天线，其优选方案中集成了1路分N路的馈电电路，解决了给环形缝隙天线馈电的问题；
(4)本发明提供的用于产生OAM波的环形缝隙天线，可通过调整矩形金属贴片阵列的矩形金属贴片的数量，以及其对应的馈电电路达到产生多种模式的涡旋电磁波的目的。
附图说明
图1(A)为本发明实施例提供的环形缝隙天线的侧视图；
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)为实施例的天线传播正方向上的某一平面电场；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
10-介质基板、20-环形缝隙金属板、30-矩形金属贴片阵列-、40-馈电电路、50-圆形金属反射板、21-圆形金属板、22-金属圆环、41-功率分配器、42-微带线。
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。
本发明实施例提供的环形缝隙天线，包括介质基板10、环形缝隙金属板20、矩形金属贴片阵列30、馈电电路40和圆形金属反射板50；其侧视图如图1所示；
其中，环形缝隙金属板20设置在介质基板10的正面，矩形金属贴片阵列30的I个矩形金属贴片均匀分布在介质基板10背面与环形缝隙正对的位置；矩形金属贴片的长度大于环形缝隙宽度；馈电电路40由金属材料印制在介质基板10的下表面，且分布在与环形缝隙金属板20的环形缝隙内半径为R1的圆形金属板对应的下方区域，该圆形金属板作为接地面；圆形金属反射板50位于馈电电路40的下方，与馈电电路40之间的间距为h；
实施例中，介质基板10是圆形的绝缘介质基板，其上表面是环形缝隙金属板20；图1(B)为图1(A)的俯视图，从该图可以看出环形缝隙将金属板分成圆形金属板21和金属圆环22两部分；缝隙内为半径R1的圆形金属板，缝隙外为宽度d金属环；矩形金属贴片阵列30均匀分布在环形缝隙的正下方，矩形金属贴片的长度大于环形缝隙的宽度；8阵元的矩形金属贴片阵列30分别在介质基板10的下表面，均匀分布在环形缝隙的正下方，各矩形金属贴片与水平方向平行或者垂直。
图1(C)为图1(A)的仰视图；从该图可以看出实施例中的馈电电路40包括Wilkinson功率分配器41、微带线42。
实施例中，介质基板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90mm；圆形金属板21半径为60mm，金属缝隙宽度为2mm，金属圆环22宽度为28mm；各矩形金属贴片的宽度为0.97mm，长度为6mm；所有金属材料的厚度均为0.035mm；金属反射板50与介质基板10之间的距离为3mm，金属反射板的半径为90mm。
图1(D)为图1(C)中所示的馈电电路的放大图；该馈电网络包括Wilkinson功率分配器(41)、不同长度微带线(42)；产生模式数k＝2的输出信号；相邻输出端口之间的信号幅值相等，相位相差90°，输入信号经由I点馈入，先后经过3个Wilkinson功率分配器41和产生相位延迟的微带线42到达每一路输出端口；该馈电网络中有两种宽度的微带线，宽度分别为W1＝0.97mm、W2＝0.52mm；Wilkinson功率分配器中使用的电阻阻值为100欧；馈电电路的8个输出端口与8个金属贴片相连接，利用耦合的方式给缝隙天线馈电，即可产生模式k＝2的涡旋电磁场；天线的工作频率为2.4GHz；图1(E)为本实施例提供的环形缝隙天线正上方的某一平面电场示意图。
应当注意的是，本实施例中的馈电电路的8个输出端口与矩形金属贴片阵列的8个矩形金属贴片并不用于限定本发明；其他数量的输出端口与矩形金属贴片同样能实现发明；输出端口与矩形金属贴片的数量与可生成的涡旋电磁场的模式数相关。
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 (4)

1.一种用于产生OAM波的环形缝隙天线，其特征在于，包括介质基板、矩形金属贴片阵列和环形缝隙金属板；
所述环形缝隙金属板设置在所述介质基板的正面，矩形金属贴片阵列的I个矩形金属贴片均匀分布在介质基板背面与所述环形缝隙金属板的环形缝隙正对的位置；矩形金属贴片的长度大于环形缝隙宽度；其中，I为正整数。
2.如权利要求1所述的环形缝隙天线，其特征在于，还包括馈电电路；所述馈电电路由金属材料印制在介质基板的下表面，且分布在与所述环形缝隙所包围的内半径为R1的圆形金属板对应的下方；
所述馈电电路包括功率分配器和多个不同长度的微带线；所述功率分配器用于把输入信号分成两个幅度相等的输出信号，多个不同长度的微带线用于实现相位变换。
3.如权利要求1或2所述的环形缝隙天线，其特征在于，所述馈电电路具有N个输出端口；N个所述输出端口等间隔地均匀分布在所述半径为R1的圆周上；各输出端口与各矩形金属贴片对应、且与所对应的矩形金属贴片相连；其中，N为大于1的正整数。
4.如权利要求2所述的环形缝隙天线，其特征在于，还包括金属反射板；所述金属反射板位于所述馈电电路的下方，与馈电电路之间具有间距；用于反射环形缝隙天线下方的电场，以增强正向电场值，且改善环形缝隙天线的方向性。
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