CN107706518B - 一种螺旋结构的涡旋电磁波天线阵 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种螺旋形涡旋电磁波天线阵，包括：螺旋形结构的天线阵、天线阵馈电网络。其特征主要在于：螺旋形结构的天线阵采用螺旋形结构的介质集成波导天线作为天线单元，以单元自身的相位差形成涡旋电磁波。天线馈电网络模块采用三个一分二功分对螺旋形结构的天线阵进行等幅同相馈电。本发明的螺旋形涡旋电磁波天线阵能形成模态为2的稳定涡旋电磁波。

Description

一种螺旋结构的涡旋电磁波天线阵
技术领域
本发明涉及一种螺旋结构的涡旋电磁波天线阵，具体涉及一种提高频率利用率的涡旋电磁波天线。
背景技术
随着移动通信技术的快速发展，无线通信的速率迅猛提升。为了进一步提升无线通信的速率，如何更大程度的提升频谱利用率是人们关注的焦点。在现有的极化复用、正交频分复用等复用技术日趋成熟时，利用电磁波轨道角动量来提高频谱利用率，成为电磁领域和通信领域的一个研究热点。
轨道角动量的产生和发生方式主要有相控阵天线为主。携带轨道角动量的波束可以通过N个阵元的相控圆形阵列来产生，各阵元输入信号幅度相等且相邻阵元之间的馈电相位差为±2πl/N，其中l为所需要的轨道角动量的模态值。天线阵元根据轨道角动量模态值的增加而倍数增加，相控阵的馈电网络所需要的相位差也倍数增加。例如轨道角动量模式为1的相控阵天线，需要4个天线单元，馈电网络相位输出相位差需要90°。而轨道角动量模式为2的相控阵天线，需要8个天线单元，馈电网络相位输出相位差需要45°。目前产生轨道角动量的馈电网络结构有基于罗曼透镜的馈电网络结构、基于环形阵列的径向功率分配器结构、基于巴特勒矩阵的馈电网络结构等。这使得涡旋电磁波天线结构复杂，尺寸较大。为了更好的在微波频段应用轨道角动量，需要一种结构简单、性能可靠、成本低廉的天线来实现轨道角动量的复用。
发明内容
本发明的目的是克服相控阵天线产生涡旋电磁天线需要多个单元和复杂馈电网络的缺点，提出了一种螺旋结构的天线阵以产生涡旋电磁波。该涡旋电磁波天线阵通过螺旋结构的单元结构实现各个单元之间的相位差以形成涡旋电磁波。该涡旋电磁波天线具有结构简单，涡旋电磁波性能稳定的特点。
本发明所述的一种螺旋形涡旋电磁波天线阵，包括螺旋形结构的天线阵、天线阵馈电网络。具体方案如下：
本设计也以轨道角动量模态2为例，螺旋形结构的天线阵元采用4个螺旋结构的天线单元以中心对称分布在介质板上组成螺旋形天线阵，螺旋结构天线单元以自身携带的相位差产生涡旋电磁波。螺旋结构的天线单元以半模介质集成波导天线为基础。介质板上层螺旋形结构辐射贴片与金属地板通过螺旋形排列的金属过孔连接，形成螺旋形半模介质集成波导天线，以提高螺旋形涡旋电磁波天线的增益。
天线阵馈电网络采用三个一分二功分器结构，实现对4个螺旋结构的天线单元等幅同相馈电。
本发明涡旋电磁波天线阵在5.95-6.05频率范围，天线回波损耗小于-10dB。该天线阵在20°波束角度的增益分别为6.1dBi。该涡旋电磁波天线阵能形成l＝2的涡旋电磁波模态。
本发明的优点在于：
(1)本发明的涡旋电磁波天线阵采用螺旋结构使4个单元形成稳定的相位差，形成l＝2模态的轨道角动量，有效地减小了相控阵涡旋电磁波天线的单元数量。
(2)本发明采用螺旋形半模介质集成波导结构作为天线单元，以获得高增益。
(3)本发明的涡旋电磁波只需要等幅同相的馈电网络，有效减小相控阵涡旋电磁波天线馈电网络的复杂度。
附图说明
图1是本发明中天线阵结构的正视图。
图2是本发明中天线阵列的侧视图。
图3是本发明的仿真S参数图。
图4是本发明的仿真增益图。
图5是本发明的涡旋电磁波l＝2模态的电场分量图。
图中标记分别是：1、介质板，2、螺旋形结构的辐射贴片，3、金属过孔，4、一分二功分器，5、馈电探针，6、金属地板，7、射频连接头。
具体实施方法
下面结合附图对本发明作具体说明。
本发明采用螺旋形结构的半波介质集成波导天线为天线单元，使用三个一分二功分器对螺旋形结构的天线大暖进行等幅同相馈电，使其能够达l＝2模态的轨道角动量。本发明技术方案结构简单、成本低、易于加工特点。
本发明提供的涡旋电磁波天线阵，包括螺旋结构的天线阵和天线馈电网络。螺旋形结构的天线阵采用4个螺旋形结构的介质集成波导天线作为单元。螺旋形结构的介质集成波导天线包括介质基板1、螺旋形结构的辐射贴片2、金属过孔3和金属底板6。螺旋形结构的辐射贴片2位于介质板1上方，金属地板6位于介质板1下方，接地金属柱3沿着螺旋形结构的辐射贴片2外边沿连接到金属地板6，形成螺旋结构的半模介质集成波导，如图1所示。
天线馈电网络包括三个一分二功分器4，三个一分二功分器4级联产生等幅同相的射频信号对螺旋形结构天线阵进行馈电。终端的一分二功分器4和射频接头7通过馈电探针5进行连接，如图2所示。
由上述技术方案可见，本发明工作在5.95～6.05MHz频段。通过螺旋形结构的介质集成波导天线构成天线阵，以单元自身的相位差产生l＝2模态的轨道角动量。该螺旋形涡旋电磁波天线阵在20°波束方向的增益为6.1dBi。
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种螺旋形涡旋电磁波天线阵，包括：螺旋形结构的天线阵、天线阵馈电网络，其特征主要在于：螺旋形结构的天线阵元采用4个螺旋结构的天线单元以中心对称分布在介质板上组成螺旋形天线阵，螺旋结构天线单元以自身携带的相位差产生涡旋电磁波；金属过孔沿着螺旋形金属板外边沿分布构成螺旋形排列的过孔，螺旋结构天线单元通过介质板上层螺旋形金属板、金属地板以及连接介质板上层螺旋形金属板和金属地板的螺旋形排列的过孔共同构成螺旋形半模介质集成波导天线。
2.根据权利要求1所述的一种螺旋形涡旋电磁波天线阵，其特征在于：天线阵馈电网络采用三个一分二功分器组成，天线阵馈电网络对螺旋形的天线阵进行等幅同相馈电。
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