CN107887703B - 一种双频带涡旋电磁波阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于天线技术领域，具体是一种双频带涡旋电磁波阵列天线。本发明主要解决现有的阵列天线无法在双频带上辐射涡旋电磁波的技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种双频带涡旋电磁波阵列天线，其中：所述双频带涡旋电磁波阵列天线包括：介质基板、上层天线阵列和下层天线阵列，所述上层天线阵列和下层天线阵列的结构相同，所述上层天线阵列和下层天线阵列分别贴装于所述介质基板的上表面和下表面且上层天线阵列的中心线与下层天线阵列的中心线的夹角α为42°。本发明设计合理、结构紧凑，有效解决了现有的阵列天线无法在双频带上辐射涡旋电磁波的技术问题，适用于无线通信。

Description

一种双频带涡旋电磁波阵列天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种双频带涡旋电磁波阵列天线。
背景技术
电磁波的角动量包含自旋角动量和轨道角动量。携带轨道角动量的电磁波与普通平面波不同，它的波束中心强度为零，相位波前呈现螺旋状的特性，也被称为涡旋电磁波。涡旋电磁波以模态数m来表示其相位波前的旋转程度，理论上涡旋电磁波的模态数m有无限多个，且不同模态之间具有正交性，利用涡旋电磁波的这一特性，可以极大地提高通信系统的频谱利用率和通信容量。
轨道角动量已经在光学领域得到了广泛应用，近年来，人们正致力于将轨道角动量应用于无线电频段，众多学者提出了多种产生涡旋电磁波的方法。2007年，Thide教授等利用矢量天线阵首次在无线电波段获得了携带轨道角动量的涡旋电磁波；2010年，Mohammadi等系统研究了利用相控阵列天线产生携带轨道角动量的电磁波束的方法；2014年，Q.Bai等利用微带线馈电网络和八个矩形贴片组成的阵列天线在10GHz处实现了涡旋电磁波束。尽管如此，涡旋电磁波天线仍存在着结构复杂、设备体积大、仅能实现单频带工作的缺点。
发明内容
本发明为了解决现有的阵列天线无法在双频带上辐射涡旋电磁波的技术问题，提供一种双频带涡旋电磁波阵列天线。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种双频带涡旋电磁波阵列天线，其中：所述双频带涡旋电磁波阵列天线包括：介质基板、上层天线阵列和下层天线阵列，所述上层天线阵列和下层天线阵列的结构相同，所述上层天线阵列和下层天线阵列分别贴装于所述介质基板的上表面和下表面且上层天线阵列的中心线与下层天线阵列的中心线的夹角α为42°；所述上层天线阵列的中央和所述下层天线阵列的中央之间设置有同轴馈电探针；
所述上层天线阵列包括八个上层矩形阵列单元和上层馈电网络，所述八个上层矩形阵列单元均匀分布在上层天线阵列的圆周方向，所述八个上层矩形阵列单元包括：上层矩形阵列单元a、上层矩形阵列单元b、上层矩形阵列单元c、上层矩形阵列单元d、上层矩形阵列单元e、上层矩形阵列单元f、上层矩形阵列单元g和上层矩形阵列单元h；
所述上层馈电网络由第一λ/4阻抗匹配器、上馈电网络和下馈电网络构成，所述第一λ/4阻抗匹配器设在上层馈电网络的中部，所述下馈电网络和上馈电网络设在第一λ/4阻抗匹配器的两边并对称设置；
所述上馈电网络由第一过渡枝节、第二λ/4阻抗匹配器、第一差相馈电枝节、第二差相馈电枝节、第一U型延迟微带线、第三λ/4阻抗匹配器、第三差相馈电枝节和第四差相馈电枝节组成；所述第一λ/4阻抗匹配器上边一侧通过第一过渡枝节与第二λ/4阻抗匹配器的一端连接，所述第二λ/4阻抗匹配器的另一端通过第一差相馈电枝节和第二差相馈电枝节分别与上层矩形阵列单元a和上层矩形阵列单元b连接；所述第一λ/4阻抗匹配器上边另一侧通过第一U型延迟微带线与第三λ/4阻抗匹配器的一端连接，所述第三λ/4阻抗匹配器的另一端通过第三差相馈电枝节和第四差相馈电枝节分别与上层矩形阵列单元c和上层矩形阵列单元d连接；
所述下馈电网络由第二U型延迟微带线、第四λ/4阻抗匹配器、第五差相馈电枝节、第六差相馈电枝节、第二过渡枝节、第五λ/4阻抗匹配器、第七差相馈电枝节和第八差相馈电枝节组成；所述第一λ/4阻抗匹配器下边一侧通过第二U型延迟微带线与第四λ/4阻抗匹配器的一端连接，所述第四λ/4阻抗匹配器的另一端通过第五差相馈电枝节和第六差相馈电枝节分别与上层矩形阵列单元g和上层矩形阵列单元h连接；所述第一λ/4阻抗匹配器下边另一侧通过第二过渡枝节与第五λ/4阻抗匹配器的一端连接，所述第五λ/4阻抗匹配器的另一端通过第七差相馈电枝节和第八差相馈电枝节分别与上层矩形阵列单元e和上层矩形阵列单元f连接。
本发明通过将下层天线阵列以同轴探针为中心顺时针旋转，下层天线阵列的中心线与上层天线阵列的中心线形成了42°夹角，实现了在X波段(8–12GHz)中的双频带工作，-10-dB阻抗带宽分别为7.76GHz-8.62GHz(相对带宽为10.5％)和9.86GHz-10.22GHz(相对带宽为3.6％)，并且在这两个频带上都实现了涡旋电磁波的辐射，从而满足了无线通信的发展需求。
与现有技术相比，本发明设计合理、结构紧凑，有效解决了现有的阵列天线无法在双频带上辐射涡旋电磁波的技术问题，适用于无线通信。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1的俯视图；
图3是图1的仰视图；
图4是本发明的反射系数S11示意图；
图5是本发明的馈电网络传输系数的相位特性示意图；
图6是本发明在8.4GHz处的相位波前分布示意图；
图7是本发明在10.0GHz处的相位波前分布示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。
如图1至图3所示，一种双频带涡旋电磁波阵列天线，其中：所述双频带涡旋电磁波阵列天线包括：介质基板1、上层天线阵列2和下层天线阵列3，所述上层天线阵列2和下层天线阵列3的结构相同，所述上层天线阵列2和下层天线阵列3分别贴装于所述介质基板1的上表面和下表面且上层天线阵列2的中心线与下层天线阵列3的中心线的夹角α为42°；所述上层天线阵列2的中央和所述下层天线阵列3的中央之间设置有同轴馈电探针4；
所述上层天线阵列2包括八个上层矩形阵列单元和上层馈电网络，所述八个上层矩形阵列单元均匀分布在上层天线阵列2的圆周方向，所述八个上层矩形阵列单元包括：上层矩形阵列单元a5、上层矩形阵列单元b6、上层矩形阵列单元c7、上层矩形阵列单元d8、上层矩形阵列单元e9、上层矩形阵列单元f10、上层矩形阵列单元g11和上层矩形阵列单元h12；
所述上层馈电网络由第一λ/4阻抗匹配器13、上馈电网络和下馈电网络构成，所述第一λ/4阻抗匹配器13设在上层馈电网络的中部，所述下馈电网络和上馈电网络设在第一λ/4阻抗匹配器13的两边并对称设置；
所述上馈电网络由第一过渡枝节14、第二λ/4阻抗匹配器15、第一差相馈电枝节16、第二差相馈电枝节17、第一U型延迟微带线18、第三λ/4阻抗匹配器19、第三差相馈电枝节20和第四差相馈电枝节21组成；所述第一λ/4阻抗匹配器13上边一侧通过第一过渡枝节14与第二λ/4阻抗匹配器15的一端连接，所述第二λ/4阻抗匹配器15的另一端通过第一差相馈电枝节16和第二差相馈电枝节17分别与上层矩形阵列单元a5和上层矩形阵列单元b6连接；所述第一λ/4阻抗匹配器13上边另一侧通过第一U型延迟微带线18与第三λ/4阻抗匹配器19的一端连接，所述第三λ/4阻抗匹配器19的另一端通过第三差相馈电枝节20和第四差相馈电枝节21分别与上层矩形阵列单元c7和上层矩形阵列单元d8连接；
所述下馈电网络由第二U型延迟微带线22、第四λ/4阻抗匹配器23、第五差相馈电枝节24、第六差相馈电枝节25、第二过渡枝节26、第五λ/4阻抗匹配器27、第七差相馈电枝节28和第八差相馈电枝节29组成；所述第一λ/4阻抗匹配器13下边一侧通过第二U型延迟微带线22与第四λ/4阻抗匹配器23的一端连接，所述第四λ/4阻抗匹配器23的另一端通过第五差相馈电枝节24和第六差相馈电枝节25分别与上层矩形阵列单元g11和上层矩形阵列单元h12连接；所述第一λ/4阻抗匹配器13下边另一侧通过第二过渡枝节26与第五λ/4阻抗匹配器27的一端连接，所述第五λ/4阻抗匹配器27的另一端通过第七差相馈电枝节28和第八差相馈电枝节29分别与上层矩形阵列单元e9和上层矩形阵列单元f10连接。
图4是本发明的反射系数S11示意图。其中，曲线1表示仅引入上层天线阵列2时天线的反射系数S11，曲线2表示同时引入上层天线阵列2和下层天线阵列3，且两者夹角为0°时天线的反射系数S11，曲线3表示同时引入上层天线阵列2和下层天线阵列3，且两者夹角为42°时天线的反射系数S11。通过图4可以看出：仅引入上层天线阵列2时，天线在8.87-9.95GHz频带范围内反射系数S11小于-10dB，仅有一个工作频带；同时引入上层天线阵列2和下层天线阵列3，且两者夹角为0°时，天线在8-10GHz范围内阻抗失配；同时引入上层天线阵列2和下层天线阵列3，且两者夹角为42°时，天线实现了双频带工作，两个谐振点分别为8.4GHz和10.0GHz，对应的反射系数S11分别为-25dB和-24dB，-10dB带宽分别为0.86GHz(7.76GHz-8.62GHz)和0.36GHz(9.86GHz-10.22GHz)。
图5是本发明的馈电网络传输系数的相位特性示意图。其中，曲线1表示馈电网络的输入端口第一λ/4阻抗匹配器13到输出端口上层矩形阵列单元a5的传输系数的相位特性，曲线2表示馈电网络的输入端口第一λ/4阻抗匹配器13到输出端口上层矩形阵列单元b6的传输系数的相位特性，曲线3表示馈电网络的输入端口第一λ/4阻抗匹配器13到输出端口上层矩形阵列单元c7的传输系数的相位特性，曲线4表示馈电网络的输入端口第一λ/4阻抗匹配器13到输出端口上层矩形阵列单元d8的传输系数的相位特性。由图5可以看出，在8.4GHz和10.0GHz频率点附近，相邻输出端口的相位差均为45°，误差在±5°以内；输入端口第一λ/4阻抗匹配器13到上层矩形阵列单元e9、上层矩形阵列单元f10、上层矩形阵列单元g11、上层矩形阵列单元h12输出端口的传输系数的相位特性分别与输入端口第一λ/4阻抗匹配器13到上层矩形阵列单元a5、上层矩形阵列单元b6、上层矩形阵列单元c7、上层矩形阵列单元d8输出端口的传输系数的相位特性相同，这里没有一一列举。
图6是本发明在8.4GHz处的相位波前分布示意图。从图中可以看出，在8.4GHz处，相位波前分布呈螺旋形状并且围绕中心旋转两周，相位变化720°，表面本发明在8.4GHz处产生了模态数m为2的涡旋电磁波。
图7是本发明在10.0GHz处的相位波前分布示意图。从图中可以看出，在10.0GHz处，相位波前分布呈螺旋形状并且围绕中心旋转两周，相位变化720°，表面本发明在10.0GHz处产生了模态数m为2的涡旋电磁波。
本发明能够以多种形式具体实施而不脱离本发明的精神和范围，应当理解，上述实施例不限于前述的细节，而应在权利要求所限定的范围内广泛地解释。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作岀若干改进和等效范围内的变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种双频带涡旋电磁波阵列天线，其特征在于：所述双频带涡旋电磁波阵列天线包括：介质基板(1)、上层天线阵列(2)和下层天线阵列(3)，所述上层天线阵列(2)和下层天线阵列(3)的结构相同，所述上层天线阵列(2)和下层天线阵列(3)分别贴装于所述介质基板(1)的上表面和下表面且上层天线阵列(2)的中心线与下层天线阵列(3)的中心线的夹角α为42°；所述上层天线阵列(2)的中央和所述下层天线阵列(3)的中央之间设置有同轴馈电探针(4)；
所述上层天线阵列(2)包括八个上层矩形阵列单元和上层馈电网络，所述八个上层矩形阵列单元均匀分布在上层天线阵列(2)的圆周方向，所述八个上层矩形阵列单元包括：上层矩形阵列单元a(5)、上层矩形阵列单元b(6)、上层矩形阵列单元c(7)、上层矩形阵列单元d(8)、上层矩形阵列单元e(9)、上层矩形阵列单元f(10)、上层矩形阵列单元g(11)和上层矩形阵列单元h(12)；
所述上层馈电网络由第一λ/4阻抗匹配器(13)、上馈电网络和下馈电网络构成，所述第一λ/4阻抗匹配器(13)设在上层馈电网络的中部，所述下馈电网络和上馈电网络设在第一λ/4阻抗匹配器(13)的两边并对称设置；
所述上馈电网络由第一过渡枝节(14)、第二λ/4阻抗匹配器(15)、第一差相馈电枝节(16)、第二差相馈电枝节(17)、第一U型延迟微带线(18)、第三λ/4阻抗匹配器(19)、第三差相馈电枝节(20)和第四差相馈电枝节(21)组成；所述第一λ/4阻抗匹配器(13)上边一侧通过第一过渡枝节(14)与第二λ/4阻抗匹配器(15)的一端连接，所述第二λ/4阻抗匹配器(15)的另一端通过第一差相馈电枝节(16)和第二差相馈电枝节(17)分别与上层矩形阵列单元a(5)和上层矩形阵列单元b(6)连接；所述第一λ/4阻抗匹配器(13)上边另一侧通过第一U型延迟微带线(18)与第三λ/4阻抗匹配器(19)的一端连接，所述第三λ/4阻抗匹配器(19)的另一端通过第三差相馈电枝节(20)和第四差相馈电枝节(21)分别与上层矩形阵列单元c(7)和上层矩形阵列单元d(8)连接；
所述下馈电网络由第二U型延迟微带线(22)、第四λ/4阻抗匹配器(23)、第五差相馈电枝节(24)、第六差相馈电枝节(25)、第二过渡枝节(26)、第五λ/4阻抗匹配器(27)、第七差相馈电枝节(28)和第八差相馈电枝节(29)组成；所述第一λ/4阻抗匹配器(13)下边一侧通过第二U型延迟微带线(22)与第四λ/4阻抗匹配器(23)的一端连接，所述第四λ/4阻抗匹配器(23)的另一端通过第五差相馈电枝节(24)和第六差相馈电枝节(25)分别与上层矩形阵列单元g(11)和上层矩形阵列单元h(12)连接；所述第一λ/4阻抗匹配器(13)下边另一侧通过第二过渡枝节(26)与第五λ/4阻抗匹配器(27)的一端连接，所述第五λ/4阻抗匹配器(27)的另一端通过第七差相馈电枝节(28)和第八差相馈电枝节(29)分别与上层矩形阵列单元e(9)和上层矩形阵列单元f(10)连接。
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