CN107768818A - 用于产生多模态oam涡旋电磁波束的微带相控阵列天线 - Google Patents

用于产生多模态oam涡旋电磁波束的微带相控阵列天线 Download PDF

Info

Publication number
CN107768818A
CN107768818A CN201711027590.7A CN201711027590A CN107768818A CN 107768818 A CN107768818 A CN 107768818A CN 201711027590 A CN201711027590 A CN 201711027590A CN 107768818 A CN107768818 A CN 107768818A
Authority
CN
China
Prior art keywords
pipe
layer
microstrip line
antenna
center
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201711027590.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107768818B (zh
Inventor
杜永兴
王艳洋
赵宇
秦岭
李宝山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Inner Mongolia University of Science and Technology
Original Assignee
Inner Mongolia University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Inner Mongolia University of Science and Technology filed Critical Inner Mongolia University of Science and Technology
Priority to CN201711027590.7A priority Critical patent/CN107768818B/zh
Publication of CN107768818A publication Critical patent/CN107768818A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107768818B publication Critical patent/CN107768818B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/24—Combinations of antenna units polarised in different directions for transmitting or receiving circularly and elliptically polarised waves or waves linearly polarised in any direction
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/50—Structural association of antennas with earthing switches, lead-in devices or lightning protectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q23/00—Antennas with active circuits or circuit elements integrated within them or attached to them

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Waveguide Aerials (AREA)

Abstract

本发明提供一种用于产生多模态OAM涡旋电磁波束的微带相控阵列天线，包括，从上往下依次连接的第一板，第二板和第三板；第一板包括，第一介质层，覆盖在第一介质层上表面的天线层；第二板包括，第二介质层，覆盖在第二介质层上表面的耦合层，以及覆盖在第二介质层下表面的接地层；第三板包括，第三介质层，覆盖在第三介质层下表面的相位控制微带线层。本发明提供的用于产生多模态OAM涡旋电磁波束的微带相控阵列天线，通过控制馈源相位以产生多种模态轨道角动量涡旋电磁波束，简化了馈源系统，且降低了生产成本。

Description

用于产生多模态OAM涡旋电磁波束的微带相控阵列天线
技术领域
本发明涉及电磁场、电磁波与天线技术领域，尤其涉及一种用于产生多模态OAM涡旋电磁波束的微带相控阵列天线。
背景技术
近年来，随着无线通信技术在信息通信领域的广泛应用以及移动终端数量的爆发式增长，在无线通讯中，频谱资源的有限性与人们日益增长的带宽需求之间的矛盾越来越突出。如何有效地使用现有的频谱资源并解决快速增长的频率需求成为急需解决的关键问题。在提高频谱资源利用率的技术中，复用技术是最为直接同时也是最为有效的方法，在已经成熟的频分复用、时分复用、码分复用、波分复用、空分复用技术仍不能满足人们对于带宽的需求之后“态(模)分复用”成为又一个能够进一步提高频谱资源利用率的复用技术，同时成为今天无线通信技术研究的一个新的热点。
由麦克斯韦尔的经典理论可知：电磁波不仅可以携带能量，同时也可以携带动量，其中动量又可分为线性动量和角动量，角动量包括自旋角动量(SAM)和轨道角动量(OAM)。而OAM最早起源于1992年荷兰的物理学家L.Allen在做关于拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian)激光束的实验中对轨道角动量的发现。2007年，瑞典空间物理所Thidé等人的研究，证明了可以使用矢量天线阵来产生电磁涡旋波束，这是第一次有人将OAM引入到微波频域。2010年Mohammadi等人通过仿真实验，验证了相控阵列天线可以产生涡旋电磁波束的假设，通过这次尝试，使得阵列天线产生涡旋电磁波这一研究方向日益火爆起来。2012年Tamburini等人，首次实现了在442米的距离上，使用两个拥有不同OAM的电磁波，在同一频率下进行编码传输，这次实验验证了OAM用于无线通信的可行性。
自马可尼第一次发射无线电波以来，无线电通讯技术就一直是将电磁波的振幅、初相、频率等线性动量进行调制，从而实现信息的携带与传输，并且具有相同频率、相同相位的调制信号，如果使用同一种编码在同一时隙中，那么一个物理信道一次只能传输一路信号。由于各种智能终端的数量的剧增，使其容量与物理极限已经非常接近，因此需要开发新的技术去满足未来无线电通讯技术的更高需求。2007年，瑞典空间物理所的Thidé等人在进行携带有轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)的涡旋光束实验中得到启示，而且他们结合涡旋光束的相关理论与技术研究，最先提出电磁涡旋(EM Vortex)这一概念，并对电磁涡旋能够提高通信系统容量和效率这一观点进行了假设。
涡旋电磁波以其等相位面为涡旋状而得名，是一种携带新型自由度--轨道角动量(OAM)的电磁波，它在无线通讯、雷达成像等领域具有开阔的应用前景。携带有不同轨道角动量的电磁波之间相互正交，态(模)分复用技术正是利用涡旋电磁波不同模态之间的这种正交性实现同一频率、同一时间、同一编码的复用。
目前，现有技术中，用于产生多模态OAM涡旋电磁波束的相控阵列具有复杂的馈源系统且制造成本昂贵。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于产生多模态OAM涡旋电磁波束的微带相控阵列天线，通过控制馈源相位以产生多种模态轨道角动量涡旋电磁波束，简化了馈源系统，且降低了生产成本。
为解决上述技术问题，本发明提供一种用于产生多模态OAM涡旋电磁波束的微带相控阵列天线，包括，从上往下依次连接的第一板，第二板和第三板；
第一板包括，第一介质层，覆盖在第一介质层上表面的天线层；
第二板包括，第二介质层，覆盖在第二介质层上表面的耦合层，以及覆盖在第二介质层下表面的接地层；
第三板包括，第三介质层，覆盖在第三介质层下表面的相位控制微带线层。
进一步地，天线层包括由24个天线单元组成的天线阵，每个天线单元为圆形贴片天线单元，24个天线单元覆盖在第一介质层上形成内层和外层，且其中8个天线单元均匀分布形成内层，以及16个天线单元均匀分布形成外层，内层和外层的圆心相同，内层上的任一天线单元的圆心与内层的圆心的距离为内层半径，外层上的任一天线单元的圆心与外层的圆心的距离为外层半径，且内层半径为29.5mm，外层半径为59.5mm；
耦合层包括24个耦合微带线，24个耦合微带线的位置分布与24个天线单元相对应，一个耦合微带线唯一对应于一个天线单元，且每个耦合微带线的中心与其对应的天线单元的圆心处于同一纵向线上，每个耦合微带线为矩形，且长为12mm，宽为1.515mm，每个耦合微带线远离内层中心的位置处设置有一个馈电点，且每个馈电点的直径为1mm；
第二介质层上设置有24个第一过孔，每个第一过孔的直径为1mm，24个第一过孔的位置分布与24个馈电点相对应，一个第一过孔唯一对应于一个馈电点，且每个第一过孔的中心与其对应的馈电点的中心处于同一纵向线上；
接地层上设置有24个第二过孔，每个第二过孔的直径为3mm，24个第二过孔的位置分布与24个馈电点相对应，一个第二过孔唯一对应于一个馈电点，且每个第二过孔的中心与其对应的馈电点的中心处于同一纵向线上；
第三介质层上设置有24个第三过孔，每个第三过孔的直径为1mm，24个第三过孔的位置分布与24个馈电点相对应，一个第三过孔唯一对应于一个馈电点，且每个第三过孔的中心与其对应的馈电点的中心处于同一纵向线上，第三介质层上处还设置有一接地过孔，接地过孔的直径为1mm；
相位控制微带线层上设置有24个第四过孔，每个第四过孔的直径为1mm，24个第四过孔的位置分布与24个馈电点相对应，一个第四过孔唯一对应于一个馈电点，且每个第四过孔的中心与其对应的馈电点的中心处于同一纵向线上；相位控制微带线层上均匀分布有8条内层微带线，且每两条内层微带线之间设置一外层微带线；每条内层微带线上设置有第一开关二极管组，且每条内层微带线的一端连接于原点，另一端连接于内层上的一个对应位置处的第四过孔；每条外层微带线上设置有串联连接的第二开关二极管组和第三开关二极管组，且每条外层微带线的一端连接于原点，另一端连接于外层上的第四过孔，且第三开关二极管组的两端分别连接两个相邻的第四过孔；每个第四过孔处的微带线通过馈电导体依次穿过第三介质层、接地层、第二介质层与耦合层上的对应的馈电点固定连接，且馈电导体的直径为1mm，其中，微带线包括内层微带线和外层微带线；同轴馈源内导体与原点处连接，同轴馈源外导体穿过接地过孔与接地层固定连接。
进一步地，第一板，第二板和第三板为矩形板，三个矩形板的长相等，宽相等，且长为150mm，宽为150mm。
进一步地，天线层，耦合层，接地层，相位控制微带线层的材质为铜；
天线层的厚度为18um，耦合层的厚度为18um，接地层的厚度为18um，相位控制微带线层的厚度为35um；
第一介质层的厚度为0.5mm，第二介质层的厚度为2mm，第三介质层的厚度为0.8mm。
进一步地，圆形贴片天线单元的直径为18.55mm。
进一步地，微带线的宽度为0.719mm。
进一步地，第一开关二极管组包括7个开关二极管，分别为从原点至第四过孔顺次串联连接的第一管、第三管、第五管和第七管，以及与第一管并联的第二管，与第三管并联的第四管，与第五管并联的第六管，相并联的两个开关二极管不同时导通，且第二管导通产生的相位延迟为45°，第四管导通产生的相位延迟为90°，第六管导通产生的相位延迟为180°，第七管为内层天线的供电总开关；
第二开关二极管组包括6个开关二极管，分别为从原点至第四过孔顺次串联连接的第一管、第三管、第五管，以及与第一管并联的第二管，与第三管并联的第四管，与第五管并联的第六管，相并联的两个开关二极管不同时导通，且第二管导通产生的相位延迟为45°，第四管导通产生的相位延迟为90°，第六管导通产生的相位延迟为180°；
第三开关二极管组包括8个开关二极管，分别为从原点至第四过孔顺次串联连接的第一管、第三管、第五管和第七管，以及与第一管并联的第二管，与第三管并联的第四管，与第五管并联的第六管，与第七管并联的第八管，相并联的两个开关二极管不同时导通，且第二管导通产生的相位延迟为180°，第四管导通产生的相位延迟为90°，第六管导通产生的相位延迟为67.5°，第八管导通产生的相位延迟为45°；开关二极管为1N4148高速贴片开关二极管。
进一步地，微带线的电角度θ与馈源相位差的关系为且微带线的电角度θ与微带线的物理长度L的关系为L＝θλ/2π，其中，λ为自由空间波长，l为OAM的模态值，N表示圆形天线阵的天线单元的个数。
进一步地，通过对开关二极管进行开关控制来控制馈电线路的长度，以实现对馈源相位的控制。
进一步地，天线阵的工作频率为6GHz。
本发明提供的用于产生多模态OAM涡旋电磁波束的微带相控阵列天线，通过控制馈源相位以产生多种模态轨道角动量涡旋电磁波束，简化了馈源系统，且降低了生产成本。
附图说明
图1是本发明实施例提供的用于产生OAM涡旋电磁波的用于产生多模态OAM涡旋电磁波束的微带相控阵列天线的层结构示意图；
图2是本发明实施例提供的天线层的结构示意图；
图3(a)是本发明实施例提供的耦合层的结构示意图；
图3(b)是本发明实施例提供的第二介质层的结构示意图；
图3(c)是本发明实施例提供的接地层的结构示意图；
图4(a)是本发明实施例提供的第三介质层的结构示意图；
图4(b)是本发明实施例提供的相位控制微带线层的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的第一开关二极管组的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的八位二进制编码分配示意图；
图7(a)是本发明实施例提供的用于产生多模态OAM涡旋电磁波束的微带相控阵列天线产生的各模态OAM的横向电场幅度示意图；
图7(b)是本发明实施例提供的用于产生多模态OAM涡旋电磁波束的微带相控阵列天线产生的各模态OAM的横向电场相位示意图。
具体实施方式
下面通过具体的实施例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。
本实施例中，各附图标记的含义如下：1、天线层；2、第一介质层；3、耦合层；4、第二介质层；5、接地层；6、第三介质层；7、相位控制微带线层；8、天线单元；9、耦合微带线；10、馈电点；11、第一过孔；12、第二过孔；13、第三过孔；14、第四过孔；15、接地过孔；16、内层微带线；17、外层微带线；18、第一开关二极管组。
结合图1，本实施例提供的用于产生多模态OAM涡旋电磁波束的微带相控阵列天线，包括，从上往下依次连接的第一板，第二板和第三板；
第一板包括，第一介质层2，覆盖在第一介质层2上表面的天线层1；
第二板包括，第二介质层4，覆盖在第二介质层4上表面的耦合层3，以及覆盖在第二介质层4下表面的接地层5；
第三板包括，第三介质层6，覆盖在第三介质层6下表面的相位控制微带线层7。
本发明实施例提供的用于产生多模态OAM涡旋电磁波束的微带相控阵列天线，通过控制馈源相位以产生多种模态轨道角动量涡旋电磁波束，简化了馈源系统，且降低了生产成本。
具体地，本实施例中的用于产生多模态OAM涡旋电磁波束的微带相控阵列天线，包括三层介质基板：第一层为圆形贴片天线所在基板；第二层一侧为电磁耦合微带线9，另一侧附上金属薄层作为接地面；第三层为馈源微带线所在介质基板。
具体地，天线层1包括由24个天线单元8组成的天线阵，每个天线单元8为圆形贴片天线单元8，24个天线单元8覆盖在第一介质层2上形成内层和外层，且其中8个天线单元8均匀分布形成内层，以及16个天线单元8均匀分布形成外层，内层和外层的圆心相同，内层上的任一天线单元8的圆心与内层的圆心的距离为内层半径，外层上的任一天线单元8的圆心与外层的圆心的距离为外层半径，且内层半径为29.5mm，外层半径为59.5mm；
耦合层3包括24个耦合微带线9，24个耦合微带线9的位置分布与24个天线单元8相对应，一个耦合微带线9唯一对应于一个天线单元8，且每个耦合微带线9的中心与其对应的天线单元8的圆心处于同一纵向线上，每个耦合微带线9为矩形，且长为12mm，宽为1.515mm，每个耦合微带线9远离内层中心的位置处设置有一个馈电点10，且每个馈电点10的直径为1mm；
第二介质层4上设置有24个第一过孔11，每个第一过孔11的直径为1mm，24个第一过孔11的位置分布与24个馈电点10相对应，一个第一过孔11唯一对应于一个馈电点10，且每个第一过孔11的中心与其对应的馈电点10的中心处于同一纵向线上；
接地层5上设置有24个第二过孔12，每个第二过孔12的直径为3mm，24个第二过孔12的位置分布与24个馈电点10相对应，一个第二过孔12唯一对应于一个馈电点10，且每个第二过孔12的中心与其对应的馈电点10的中心处于同一纵向线上；
第三介质层6上设置有24个第三过孔13，每个第三过孔13的直径为1mm，24个第三过孔13的位置分布与24个馈电点10相对应，一个第三过孔13唯一对应于一个馈电点10，且每个第三过孔13的中心与其对应的馈电点10的中心处于同一纵向线上，第三介质层6上处还设置有一接地过孔15，接地过孔15的直径为1mm；
相位控制微带线层7上设置有24个第四过孔14，每个第四过孔14的直径为1mm，24个第四过孔14的位置分布与24个馈电点10相对应，一个第四过孔14唯一对应于一个馈电点10，且每个第四过孔14的中心与其对应的馈电点10的中心处于同一纵向线上；相位控制微带线层7上均匀分布有8条内层微带线16，且每两条内层微带线16之间设置一外层微带线17；每条内层微带线16上设置有第一开关二极管组18，且每条内层微带线16的一端连接于原点，另一端连接于内层上的一个对应位置处的第四过孔14；每条外层微带线17上设置有串联连接的第二开关二极管组和第三开关二极管组，且每条外层微带线17的一端连接于原点，另一端连接于外层上的第四过孔14，且第三开关二极管组的两端分别连接两个相邻的第四过孔14；每个第四过孔14处的微带线通过馈电导体依次穿过第三介质层6、接地层5、第二介质层4与耦合层3上的对应的馈电点10固定连接，且馈电导体的直径为1mm，其中，微带线包括内层微带线16和外层微带线17；同轴馈源内导体与原点处连接，同轴馈源外导体穿过接地过孔15与接地层5固定连接。
本实施例中，用于产生轨道角动量(OAM)涡旋电磁波束的微带相控天线阵包含24个天线单元8，天线单元8分为内层和外层，每圈延圆周等距排列在其中一层介质基板上(第一板)，内层为8个天线单元8，外层为16个天线单元8。
本发明用于产生OAM涡旋电磁波束的微带相控天线阵产生的OAM模态值l为：-N/2<l<N/2,天线单元8到天线单元8间具有连续的相位延迟2πl/N，其中N为阵列天线的天线单元8个数。本实施例中，采用易于赋型的贴片阵列天线代替偶极子阵列天线，同时弥补了螺旋抛物面天线只能产生单一OAM模态的不足。
具体地，第一板，板材为泰兴F4B-220-0.5mm-0/0.5-150mm*150mm单面覆铜板，板厚为0.5mm，相对介电常数εr＝2.2，铜皮厚度T＝18um。图2为天线层1。如图所示地，天线层1分为内层和外层，内层由1_1至1_8八个圆形贴片天线单元8组成，外层由2_1至2_16十六个圆形贴片单元天线组成，总共包含24个天线单元8，圆形贴片单元天线的直径φ＝18.55mm，内层天线从原点到贴片天线单元8的圆心半径为R＝29.5mm，外层天线从原点到贴片天线单元8的圆心半径为59.5mm，内层天线单元8之间的间隔为45°，外层天线单元8之间的间隔约为22.6666667°。
第二板，板材为泰兴F4B-220-2mm-0.5/0.5-150mm*150mm双面覆铜板，板厚为2mm，相对介电常数εr＝2.2，铜皮厚度T＝18um。图3(a)为耦合层3，图3(b)为第二介质层4，图3(c)为接地层5。如图3(a)所示耦合层3与图2相对应分为内层和外层，用于给天线耦合馈电，耦合微带线9为矩形，且长为12mm，宽为1.515mm。内层矩形耦合微带线9中心到原点的距离半径为29.5mm；外层矩形耦合中心到原点的距离半径为59.5mm。内层耦合微带线9间距为45°，外层耦合微带线9间距约为22.6666667°。如图3(a)所示地，内层和外层距离原点为35mm和65mm处都有标记为直径φ＝1mm的圆为馈电点10。图3(b)中直径φ＝1mm的圆柱为第一过孔11，内层第一过孔11的圆心到原点的半径为35mm，外层第一过孔11的圆心到原点的半径为65mm。图3(c)中标记为直径φ＝3mm的为第二过孔12，内层第二过孔12的圆心到原点的距离为35mm，外层第二过孔12圆心到原点的距离为65mm。
需要说明的是，第二过孔12直径φ＝3mm比第一过孔11直径φ＝1mm大，其原因在于，连接导体连接相位控制微带线层7的馈电点10后，经过直径φ＝1mm的第四过孔14，再经过直径φ＝1mm的第三过孔13，再经过直径φ＝3mm的第二过孔12，以及经过直径φ＝1mm的第一过孔11，最后与直径φ＝1mm的馈电点10连接时，不与接地层5接触。
第三板，板材为泰兴TP-1000-0.8mm-0/1-150mm*150mm单面覆铜板，板厚为0.8mm，相对介电常数εr＝10.2，铜皮的厚度T＝35um。图4(a)为第三介质层6，图4(b)为相位控制微带线层7。图4(a)中的直径φ＝1mm的圆柱为第三过孔13，内层第三过孔13的圆心到原点的半径为35mm，外层第三过孔13的圆心到原点的半径为65mm，其中，有一接地过孔15是同轴馈源外导体通过此过孔与接地层5的接地面焊接。图4(b)中内层标记的1_1至1_8和外层标记的2_1至2_16均为直径φ＝1mm的第四过孔14，内层第四过孔14的圆心到原点的距离为35mm，外层第四过孔14圆心到原点的距离为65mm，通过直径φ＝1mm的同轴线内导体经过图4(a)、图3(c)、图3(b)的过孔将相位控制微带线层7与图3(a)的耦合微带线9馈电点10焊接。图4(b)的原点处是同轴馈源内导体的总馈电点。此外，图4(b)就是用于产生OAM涡旋电磁波相控天线阵的微带线相位控制原理图，馈线的宽度W＝0.719mm，介质基板介电常数εr＝10.2，基板厚度H＝0.8mm。
进一步优选地，微带线的电角度θ与馈源相位差的关系为且微带线的电角度θ与微带线的物理长度L的关系为L＝θλ/2π，其中，λ为自由空间波长，l为OAM的模态值，N表示圆形天线阵的天线单元8的个数。
本实施例中，微带线的电尺寸与物理尺寸的对应关系如表1所示：
表1微带线的电尺寸与物理尺寸的对应关系表
本实施例中，微带线接入电路的物理长度与馈源相位成正比关系。且具体地，本实施例通过控制控制开关二极管的启闭来控制微带线接入电路的有效物理尺寸，继而实现对馈源相位的控制，以实现不同模态涡旋电磁波的产生。本实施例中，同一个天线阵可以产生不同模态的OAM涡旋电磁波束，每种模态的涡旋电磁波的产生均可以通过数字电路来控制二极管的闭合情况而实现，即，通过对开关二极管进行开关控制来控制馈电线路的长度，以实现对馈源相位的控制。
具体地，第一开关二极管组18包括7个开关二极管，分别为从原点至第四过孔14顺次串联连接的第一管、第三管、第五管和第七管，以及与第一管并联的第二管，与第三管并联的第四管，与第五管并联的第六管，相并联的两个开关二极管不同时导通，且第二管导通产生的相位延迟为45°，第四管导通产生的相位延迟为90°，第六管导通产生的相位延迟为180°，第七管为内层天线的供电总开关；
第二开关二极管组包括6个开关二极管，分别为从原点至第四过孔14顺次串联连接的第一管、第三管、第五管，以及与第一管并联的第二管，与第三管并联的第四管，与第五管并联的第六管，相并联的两个开关二极管不同时导通，且第二管导通产生的相位延迟为45°，第四管导通产生的相位延迟为90°，第六管导通产生的相位延迟为180°；
第三开关二极管组包括8个开关二极管，分别为从原点至第四过孔14顺次串联连接的第一管、第三管、第五管和第七管，以及与第一管并联的第二管，与第三管并联的第四管，与第五管并联的第六管，与第七管并联的第八管，相并联的两个开关二极管不同时导通，且第二管导通产生的相位延迟为180°，第四管导通产生的相位延迟为90°，第六管导通产生的相位延迟为67.5°，第八管导通产生的相位延迟为45°；开关二极管为1N4148高速贴片开关二极管。
本实施例中，如图4(b)所示地，微带线的断连处为开关二极管的预留焊接位置。本实施例采用微带线与开关二极管相结合的方式，通过数字电路控制二极管的闭合情况来选择OAM模态，以达到同一个天线能够产生多种模式可选择的涡旋电磁波束的目的。
如图5所示地，图中微带线断连处为预留二极管焊接位置，天线阵列内层的每一个天线的馈源都由7个开关二极管通过控制微带线的长度来控制相位，分别为从原点至第四过孔14顺次串联连接的第一管、第三管、第五管和第七管，以及与第一管并联的第二管，与第三管并联的第四管，与第五管并联的第六管，相并联的两个开关二极管不同时导通，且第二管导通产生的相位延迟为45°(即，第二管，第三管，第五管，第七管同时导通时的相位为45°)，第四管导通产生的相位延迟为90°(即，第一管，第四管，第五管，第七管同时导通时的相位为90°)，第六管导通产生的相位延迟为180°(即，第一管，第三管，第六管，第七管同时导通时的相位为180°)。此外，需要说明的是，本实施例中所指的相位延迟，是指导通凸出线路的二极管与导通直线线路处二极管的相位延迟，例如，导通第二管产生的相位与导通第一管所产生的相位相比，相位延迟为45度。
同理地，第二开关二极管组中的第二管导通产生的相位延迟为45°(即，第二管，第三管，第五管，同时导通时的相位为45°)，第四管导通产生的相位延迟为90°(即，第一管，第四管，第五管，同时导通时的相位为90°)，以及，第六管导通产生的相位延迟为180°(即，第一管，第三管，第六管，同时导通时的相位为180°)，均是只考虑一次只导通一处凸出线路处的二极管的情况产生的相位情况。
此外，如表2所示地，内层天线阵只工作于l＝0，±1，±2±3模态，且如表3所示地，外层天线阵能够产生16种模态：l＝0，±1，±2，±3，±4，±5，±6，±7，8。
表2内层天线阵列OAM模态与馈源相位对照表
模态数 Prot1_1 Prot1_2 Prot1_3 Prot1_4 Prot1_5 Prot1_6 Prot1_7 Prot1_8
l＝0 0 0 0 0 0 0 0 0
l＝1 0 45 90 135 180 225 270 315
l＝-1 315 270 225 180 135 90 45 0
l＝2 0 90 180 270 0 90 180 270
l＝-2 270 180 90 0 270 180 90 0
l＝3 0 135 270 45 180 315 90 225
l＝-3 225 90 315 180 45 270 135 0
表3外层天线阵列OAM模态与馈源相位对照表
具体地，如表2所示地，例如，模态0时，port1_1至port1_8的相位均为0。本实施例通过控制各二极管的启闭来实现对单元端口的相位，继而实现模态控制。
优选地，开关二极管为1N4148高速贴片开关二极管。本实施例中，高速贴片开关二极管介绍：贴片高速开关二极管的特点就是反向恢复时间τ很短，一般的高速开关二极管的恢复时间τ≤4ns(如柱形玻封二极管1N4148)，而超高速开关二极管的恢复时间τ则≤1.6ns(如1SS300型)，此外高速开关二极管的反向峰值电压UB也比较低，一般只有几十伏，正向平均电流I也很小，一般为100-200mA,适合小功率器件。高速贴片开关二极管主要用于开关、脉冲控制、高频电路和逻辑控制电路中。贴片1N4148高速开关二极管尺寸小，价格便宜。正是这些特性，故本发明选用1N4148高速贴片开关二极管。
需要说明的是，本实施例中，内层天线阵和外层天线阵同时工作，可以产生加强的涡旋电磁波束，且二者同时工作时，通过采用八位二进制编码对两个相邻天线单元8上的开关二极管进行开关控制来实现天线阵的模式选择。
本实施例中，天线阵列模式选择采用每两个相邻阵元使用八位二进制编码形式进行控制，“1”表示二极管连通，“0”表示二极管断开。如图4(b)所示地，八位二进制编码的第一位为内层天线的总开关，其闭合、断开不影响外层天线的工作；二到四位控制内层阵元(即阵元1_1至1_8)和外层Port为奇数(即2_1、2_3、2_5...以此类推)的模态，后四位控制外层Port为偶数阵元(即2_2、2_4、2_6...以此类推)的模态。对于内层阵元和外层为奇数的阵元前四位(对内层阵元)和第二到第四位(对外层为奇数的阵元)的二极管的开关顺序参照图4(b)阵元1_7旁边标注的箭头方向，对外层为偶数的阵元二极管的开关顺序参照图4(b)阵元2_14旁边标注的箭头方向。另外需要说明的是八位二进制编码表中的“1”(除内层总开关外)表示焊接在凸出微带线断连处的二极管开通焊接在直线微带线断连处的二极管关闭，“0”表示焊接在直线微带线断连处的二极管开通焊接在凸出的微带线断连处的二极管断开。
如表4所示地，内层天线阵和外层天线阵可以同时作用产生l＝0,±1,±2±3模态。且通过上述数字化控制馈源相位产生的各种OAM模态的电场强度示意图见图7(a)和图7(b)所示，且图7(a)是本实施例提供的多模态OAM微带相控天线阵横向电场幅度示意图；图7(b)是本发明实施例提供的多模态OAM微带相控天线阵横向电场相位示意图。
表4 OAM模态选择二进制编码表
如表4所示地，例如，模态l＝1的port1的八位二进制编码为，10000001，指的是第1位(内层总开关打开)为1；第2至第4位为0，指的是导通的是直线微带线处的二极管(即，不导通突出微带线处的二极管)；第5至第7位为0，导通对应位置直线微带线处的二极管，第8位为1，导通对应位置突出微带线处的二极管。
优选地，天线阵的工作频率为6GHz。本实施例中，天线阵的工作频率为6GHz时，效果最佳。
具体地，第一板，第二板和第三板为矩形板，三个矩形板的长相等，宽相等，且长为150mm，宽为150mm。
更加具体地，天线层1，耦合层3，接地层5，相位控制微带线层7的材质为铜；
天线层1的厚度为18um，耦合层3的厚度为18um，接地层5的厚度为18um，相位控制微带线层7的厚度为35um；
第一介质层2的厚度为0.5mm，第二介质层4的厚度为2mm，第三介质层6的厚度为0.8mm。
更加具体地，圆形贴片天线单元8的直径为18.55mm，微带线的宽度为0.719mm。
需要说明的是，本实施例中所涉及的参数均为通过多次试验测试获得，且本实施例提供的参数组合为最优选的参数组合，其中任一参数值的改变将对技术效果产生影响。
尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。

Claims (10)

1.一种用于产生多模态OAM涡旋电磁波束的微带相控阵列天线，其特征在于，包括，从上往下依次连接的第一板，第二板和第三板；
所述第一板包括，第一介质层，覆盖在所述第一介质层上表面的天线层；
所述第二板包括，第二介质层，覆盖在所述第二介质层上表面的耦合层，以及覆盖在所述第二介质层下表面的接地层；
所述第三板包括，第三介质层，覆盖在所述第三介质层下表面的相位控制微带线层。
2.根据权利要求1所述的用于产生多模态OAM涡旋电磁波束的微带相控阵列天线，其特征在于，
所述天线层包括由24个天线单元组成的天线阵，每个所述天线单元为圆形贴片天线单元，所述24个天线单元覆盖在所述第一介质层上形成内层和外层，且其中8个天线单元均匀分布形成内层，以及16个天线单元均匀分布形成外层，所述内层和所述外层的圆心相同，所述内层上的任一天线单元的圆心与内层的圆心的距离为内层半径，所述外层上的任一天线单元的圆心与外层的圆心的距离为外层半径，且所述内层半径为29.5mm，所述外层半径为59.5mm；
所述耦合层包括24个耦合微带线，所述24个耦合微带线的位置分布与所述24个天线单元相对应，一个耦合微带线唯一对应于一个天线单元，且每个所述耦合微带线的中心与其对应的天线单元的圆心处于同一纵向线上，每个所述耦合微带线为矩形，且长为12mm，宽为1.515mm，每个所述耦合微带线远离内层中心的位置处设置有一个馈电点，且每个所述馈电点的直径为1mm；
所述第二介质层上设置有24个第一过孔，每个所述第一过孔的直径为1mm，所述24个第一过孔的位置分布与24个馈电点相对应，一个第一过孔唯一对应于一个馈电点，且每个所述第一过孔的中心与其对应的馈电点的中心处于同一纵向线上；
所述接地层上设置有24个第二过孔，每个所述第二过孔的直径为3mm，所述24个第二过孔的位置分布与24个馈电点相对应，一个第二过孔唯一对应于一个馈电点，且每个所述第二过孔的中心与其对应的馈电点的中心处于同一纵向线上；
所述第三介质层上设置有24个第三过孔，每个所述第三过孔的直径为1mm，所述24个第三过孔的位置分布与24个馈电点相对应，一个第三过孔唯一对应于一个馈电点，且每个所述第三过孔的中心与其对应的馈电点的中心处于同一纵向线上，所述第三介质层上处还设置有一接地过孔，所述接地过孔的直径为1mm；
所述相位控制微带线层上设置有24个第四过孔，每个所述第四过孔的直径为1mm，所述24个第四过孔的位置分布与24个馈电点相对应，一个第四过孔唯一对应于一个馈电点，且每个所述第四过孔的中心与其对应的馈电点的中心处于同一纵向线上；所述相位控制微带线层上均匀分布有8条内层微带线，且每两条内层微带线之间设置一外层微带线；每条所述内层微带线上设置有第一开关二极管组，且每条所述内层微带线的一端连接于原点，另一端连接于内层上的一个对应位置处的第四过孔；每条所述外层微带线上设置有串联连接的第二开关二极管组和第三开关二极管组，且每条所述外层微带线的一端连接于所述原点，另一端连接于外层上的第四过孔，且所述第三开关二极管组的两端分别连接两个相邻的第四过孔；每个第四过孔处的微带线通过馈电导体依次穿过所述第三介质层、所述接地层、所述第二介质层与所述耦合层上的对应的馈电点固定连接，且所述馈电导体的直径为1mm，其中，所述微带线包括内层微带线和外层微带线；同轴馈源内导体与原点处连接，同轴馈源外导体穿过所述接地过孔与所述接地层固定连接。
3.根据权利要求1所述的用于产生多模态OAM涡旋电磁波束的微带相控阵列天线，其特征在于，所述第一板，所述第二板和所述第三板为矩形板，三个矩形板的长相等，宽相等，且长为150mm，宽为150mm。
4.根据权利要求1所述的用于产生多模态OAM涡旋电磁波束的微带相控阵列天线，其特征在于，所述天线层，所述耦合层，所述接地层，相位控制微带线层的材质为铜；
所述天线层的厚度为18um，所述耦合层的厚度为18um，所述接地层的厚度为18um，所述相位控制微带线层的厚度为35um；
所述第一介质层的厚度为0.5mm，所述第二介质层的厚度为2mm，所述第三介质层的厚度为0.8mm。
5.根据权利要求2所述的用于产生多模态OAM涡旋电磁波束的微带相控阵列天线，其特征在于，所述圆形贴片天线单元的直径为18.55mm。
6.根据权利要求2所述的用于产生多模态OAM涡旋电磁波束的微带相控阵列天线，其特征在于，所述微带线的宽度为0.719mm。
7.根据权利要求2所述的用于产生多模态OAM涡旋电磁波束的微带相控阵列天线，其特征在于，
所述第一开关二极管组包括7个开关二极管，分别为从原点至第四过孔顺次串联连接的第一管、第三管、第五管和第七管，以及与第一管并联的第二管，与第三管并联的第四管，与第五管并联的第六管，相并联的两个开关二极管不同时导通，且第二管导通产生的相位延迟为45°，第四管导通产生的相位延迟为90°，第六管导通产生的相位延迟为180°，第七管为内层天线的供电总开关；
所述第二开关二极管组包括6个开关二极管，分别为从原点至第四过孔顺次串联连接的第一管、第三管、第五管，以及与第一管并联的第二管，与第三管并联的第四管，与第五管并联的第六管，相并联的两个开关二极管不同时导通，且第二管导通产生的相位延迟为45°，第四管导通产生的相位延迟为90°，第六管导通产生的相位延迟为180°；
所述第三开关二极管组包括8个开关二极管，分别为从原点至第四过孔顺次串联连接的第一管、第三管、第五管和第七管，以及与第一管并联的第二管，与第三管并联的第四管，与第五管并联的第六管，与第七管并联的第八管，相并联的两个开关二极管不同时导通，且第二管导通产生的相位延迟为180°，第四管导通产生的相位延迟为90°，第六管导通产生的相位延迟为67.5°，第八管导通产生的相位延迟为45°；
所述开关二极管为1N4148高速贴片开关二极管。
8.根据权利要求2所述的用于产生多模态OAM涡旋电磁波束的微带相控阵列天线，其特征在于，所述微带线的电角度θ与馈源相位差的关系为且所述微带线的电角度θ与所述微带线的物理长度L的关系为L＝θλ/2π，其中，λ为自由空间波长，l为OAM的模态值，N表示圆形天线阵的天线单元的个数。
9.根据权利要求7所述的用于产生多模态OAM涡旋电磁波束的微带相控阵列天线，其特征在于，通过对开关二极管进行开关控制来控制馈电线路的长度，以实现对馈源相位的控制。
10.根据权利要求2所述的用于产生多模态OAM涡旋电磁波束的微带相控阵列天线，其特征在于，所述天线阵的工作频率为6GHz。
CN201711027590.7A 2017-10-27 2017-10-27 用于产生多模态oam涡旋电磁波束的微带相控阵列天线 Active CN107768818B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711027590.7A CN107768818B (zh) 2017-10-27 2017-10-27 用于产生多模态oam涡旋电磁波束的微带相控阵列天线

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711027590.7A CN107768818B (zh) 2017-10-27 2017-10-27 用于产生多模态oam涡旋电磁波束的微带相控阵列天线

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107768818A true CN107768818A (zh) 2018-03-06
CN107768818B CN107768818B (zh) 2019-10-01

Family

ID=61270359

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711027590.7A Active CN107768818B (zh) 2017-10-27 2017-10-27 用于产生多模态oam涡旋电磁波束的微带相控阵列天线

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107768818B (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107768818B (zh) * 2017-10-27 2019-10-01 内蒙古科技大学 用于产生多模态oam涡旋电磁波束的微带相控阵列天线
CN112034263A (zh) * 2019-05-15 2020-12-04 南京航空航天大学 一种涡旋波调制信号的单天线模态检测方法
CN112751167A (zh) * 2019-10-30 2021-05-04 同济大学 一种天线面板、涡旋波束天线及其工作方法
CN112838382A (zh) * 2020-12-31 2021-05-25 北京富奥星电子技术有限公司 一种高增益双模oam天线

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050145340A1 (en) * 1997-03-27 2005-07-07 Tomohiro Okumura Method and apparatus for plasma processing

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107768818B (zh) * 2017-10-27 2019-10-01 内蒙古科技大学 用于产生多模态oam涡旋电磁波束的微带相控阵列天线

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050145340A1 (en) * 1997-03-27 2005-07-07 Tomohiro Okumura Method and apparatus for plasma processing

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
No relevant documents disclosed *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107768818B (zh) * 2017-10-27 2019-10-01 内蒙古科技大学 用于产生多模态oam涡旋电磁波束的微带相控阵列天线
CN112034263A (zh) * 2019-05-15 2020-12-04 南京航空航天大学 一种涡旋波调制信号的单天线模态检测方法
CN112034263B (zh) * 2019-05-15 2021-09-03 南京航空航天大学 一种涡旋波调制信号的单天线模态检测方法
CN112751167A (zh) * 2019-10-30 2021-05-04 同济大学 一种天线面板、涡旋波束天线及其工作方法
CN112838382A (zh) * 2020-12-31 2021-05-25 北京富奥星电子技术有限公司 一种高增益双模oam天线
CN112838382B (zh) * 2020-12-31 2022-09-09 北京富奥星电子技术有限公司 一种高增益双模oam天线

Also Published As

Publication number Publication date
CN107768818B (zh) 2019-10-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107768818B (zh) 用于产生多模态oam涡旋电磁波束的微带相控阵列天线
Nasimuddin et al. Substrate integrated metamaterial-based leaky-wave antenna with improved boresight radiation bandwidth
CN106816716A (zh) 结构简洁的双模涡旋波束双圆极化四元阵列天线
CN105264714A (zh) 多极化基片集成波导天线
CN102170044B (zh) 一种基于左右手复合传输线的水平极化全向天线
CN105450200B (zh) 一种控制相位的方法、阵列天线及系统
CN207852927U (zh) 3×3Butler矩阵馈电网络及天线
CN107910656A (zh) 一种天线
CN107039782A (zh) 用于产生涡旋电磁波的阵列天线
CN109378581A (zh) 一种辐射双频漩涡波的微带圆形贴片天线
CN109586007A (zh) 基于Butler矩阵的平面轨道角动量天线
CN109921157A (zh) 移相器及天线
Sun et al. The design of array antenna based on multi-modal OAM vortex electromagnetic wave
CN109301505A (zh) 一种超宽带oam涡旋电磁波天线
CN108321472A (zh) 一种移相器、天馈系统及基站
Vosoughitabar et al. Metamaterial-enabled 2d directional modulation array transmitter for physical layer security in wireless communication links
CN106785249B (zh) 超宽带90°移相网络
CN206225556U (zh) 基站电调天线移相器及多频共用基站天线
CN108377153A (zh) 半导体功率放大器和天线一体化的多层发射模块
CN110534920A (zh) 柔性巴特勒馈电网络
CN103633404B (zh) 一种非对称脊波导多路功率分配器及功率分配方法
Zaidi et al. Analysis and optimisation of 8× 1 double'U'slotted patch array for future 5G communications
CN205944439U (zh) 超材料和天线反射面
CN107508039A (zh) 贴片天线单元及阵列
CN108461888A (zh) 一种应用于智慧交通的方向图可重构宽带柔性电小天线

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant