CN108199135B - Oam无线电波产生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种OAM无线电波产生装置，包括第一基板、第二基板、接地板、N个辐射贴片和馈电网络；第一基板和第二基板为绝缘介质基板，接地板为导电介质接地板；第一基板的背面、接地板和第二基板的正面依次贴合辐射贴片布置在第一基板的正面，馈电网络布置在第二基板的背面；辐射贴片组成N阵元的圆形天线阵列，辐射贴片为圆极化天线；馈电网络输入端为信号输入端口，馈电网络的输出端连接各个辐射贴片，输入端口到各个输出端口的馈电网络长度均相等。本发明不需要等相位差馈电，不需要移相器，极大的降低了馈电系统的复杂程度，而且结构简单，产生不同模式数OAM无线电波时不需要更换馈电系统，适用范围极广。

Description

OAM无线电波产生装置
技术领域
本发明具体涉及一种产生OAM无线电波产生装置。
背景技术
近年来，轨道角动量(OAM)无线电波引起了人们的广泛关注，因为它显示了在同一频率下同时传输多种信号的潜力，可用于提高频谱效率，从而提高信道容量。OAM无线电波的利用最初集中在光学区域，最近被提出在较低频率的无线电通信和雷达成像。
产生OAM无线电波的方法通常有两类。第一类是由平面波变换产生的OAM无线电波，如可变螺旋相位板；第二类由相控均匀圆阵产生OAM无线电波，相控均匀圆阵即：N个天线单元排成圆形阵列，馈送相同幅度的信号，但是天线单元之间存在连续的相位延迟其中整数l是OAM模式数。在这些设计中，为了在阵元间产生连续的相位延迟，需要在馈电系统中加入移相器，这就使得设计相对变得复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种简单可靠，适用范围广的生成OAM无线电波的OAM无线电波产生装置。
本发明提供的这种OAM无线电波产生装置，包括第一基板、第二基板、接地板、N个辐射贴片和馈电网络；第一基板和第二基板为绝缘介质基板，接地板为导电介质接地板；第一基板的背面、接地板和第二基板的正面依次贴合；N个辐射贴片布置在第一基板的正面，馈电网络布置在第二基板的背面；N个辐射贴片组成N阵元的圆形天线阵列，且N个辐射贴片的中心位置在同一圆周上，所述圆周的半径为谐振频率所对应的波长的0.35～0.8倍；辐射贴片为圆极化天线；馈电网络的输入端为信号输入端口，馈电网络的输出端分别连接各个辐射贴片，且输入端口到各个输出端口的馈电网络长度均相等；N为自然数。
所述的馈电网络为微带线馈电网络。
所述的微带线馈电网络上设置有若干处三角形切口，用于减小微带线在拐角处不连续所引起的反射和辐射。
所述的圆极化天线的馈电为同轴线中心馈电。
所述的圆极化天线为正方形金属贴片，金属贴片的一对对角上设置有调谐枝节；在金属贴片上开有一类正方形槽，类正方形槽的一条边未连通；所述类正方形槽所形成的正方形的中心点与正方形金属贴片的中心点重合，类正方形槽的边与正方形金属贴片的边平行，类正方形槽的对称轴通过正方形金属贴片的中心点。
所述的类正方形槽的有效长度L采用公式进行计算：
式中c为真空中的光速，f0为谐振频率，λg为波导波长，εeff为基板的有效介电常数且εr为基板的相对介电常数。
所述的调谐枝节为矩形，调谐枝节矩形的对称轴与调谐枝节所在的对角的对角线重合，且调谐枝节矩形的两条边与调谐枝节所在的对角的对角线垂直。
通过将所述的第1～第N个辐射贴片各自旋转角度x1～xN，即可产生模式数为l的OAM无线电波；所述的l为整数，且所述辐射贴片按顺时针方向或者逆时针方向连续编号。
所述的旋转角度采用如下公式进行计算：
其中xi为第i个辐射贴片旋转的角度，N为辐射贴片的个数，l为产生OAM无线电波的模式数；且若圆极化天线单元为右旋圆极化，则旋转角度xi为顺时针旋转；若圆极化天线单元为左旋圆极化，则旋转角度xi为逆时针旋转。
本发明提供的这种OAM无线电波产生装置，巧妙的设计了中心馈电的圆极化单元，通过顺时针或者逆时针旋转单元天线来产生OAM无线电波，不需要等相位差馈电，不需要移相器，本发明只需同相位馈电，极大的降低了馈电系统的复杂程度，结构简单，而且因为圆极化天线单元是中心馈电的，所以在产生不同模式数的OAM无线电波时，只需旋转天线单元，不需要更换馈电系统，因此大大增加了其适用范围。
附图说明
图1为本发明的实施例的示意图。
图2为本发明的实施例的侧视图。
图3为本发明的实施例的馈电网络的示意图。
图4为本发明的实施例的辐射贴片的示意图。
图5为本发明的实施例的辐射贴片的轴比曲线图。
图6为本发明的实施例在产生模式数为1的OAM无线电波时的示意图。
图7为本发明的实施例在产生模式数为1的OAM无线电波时，垂直于天线传播方向上的某一平面的场相位图。
图8为本发明的实施例在产生模式数为-1的OAM无线电波时的示意图。
图9为本发明的实施例在产生模式数为-1的OAM无线电波时，垂直于天线传播方向上的某一平面的场相位图。
具体实施方式
以下结合一个具体实施例对本发明进行进一步说明。
如图1～图3所示为本发明的实施例的示意图：本发明提供的这种OAM无线电波产生装置，包括第一基板104、第二基板106、接地板105、N个辐射贴片101(图中为8个，标号为1～8)和馈电网络102；第一基板和第二基板为绝缘介质基板，接地板为导电介质接地板；第一基板的背面、接地板和第二基板的正面依次贴合；N个辐射贴片布置在第一基板的正面，馈电网络布置在第二基板的背面；N个辐射贴片组成N阵元的圆形天线阵列，且N个辐射贴片的中心位置在同一圆周上，且所述圆周的半径为谐振频率所对应的波长的0.35～0.8倍；馈电网络的输入端103为信号输入端口，馈电网络的输出端分别连接各个辐射贴片，且输入端口到各个输出端口的馈电网络长度均相等；N为自然数。馈电网络采用微带线馈电网络，微带线馈电网络上设置有若干处三角形切口(如图3中的107、108和109所示)，用于减小微带线在拐角处不连续所引起的反射和辐射。馈电网络与辐射贴片连接采用的是同轴线中心馈电，即图3中馈电网络的末端(比如图3中第一辐射贴片1处的末端201)在俯视的情况下，该处与第一辐射贴片1的中心点重合，且此处的馈电方式为同轴线中心馈电。图3中的标示209处为信号输入端口，201～208处即为各个辐射贴片的输出端口，各个输出端口通过同轴线中心馈电方式连接各个辐射贴片。
如图4所示为本发明的实施例的辐射贴片的示意图：辐射贴片为右旋圆极化天线，圆极化天线为正方形金属贴片，金属贴片的一对对角上设置有调谐枝节111；在金属贴片上开有一类正方形槽110，类正方形槽的一条边未连通；所述类正方形槽所形成的正方形的中心点与正方形金属贴片的中心点重合，且类正方形槽的边与正方形金属贴片的边平行，该类正方形槽的对称轴通过类正方形槽所形成的正方形的中心点(同时也通过正方形金属贴片的中心点)；在本实施例中，该类正方形槽的开口处朝向图中的右侧。类正方形槽的有效长度L采用公式进行计算：
式中c为真空中的光速，f0为谐振频率，λg为波导波长，εeff为基板的有效介电常数且εr为基板的相对介电常数。调谐枝节为矩形，调谐枝节矩形的对称轴与调谐枝节所在的对角的对角线重合，且调谐枝节矩形的两条边与调谐枝节所在的对角的对角线垂直。如图5所示为本发明的实施例的辐射贴片的轴比曲线图，其在2.4GHz频段，θ＝0°时，轴比为1.19dB，有着良好圆极化特性。
图1～图5中，所标示的尺寸具体如下表1所示：
表1尺寸示意表(单位：mm)
L W L1 L2 Lx Ly gap1 gap2
180 180 24.85 9.5 3 2.82 0.1 0.1
其中，尺寸gap1和gap2可以相等，也可以不等。
在具体应用时，本实施例的应用方式如下：
以图1中所示的辐射贴片为起始位置，通过将所述的第1～第8个辐射贴片旋转各自旋转角度x1～xN，即可产生模式数为l的OAM无线电波；所述的l为整数，且辐射贴片按顺时针方向或者逆时针方向连续编号；且，若圆极化天线单元为右旋圆极化，则为顺时针旋转；若圆极化天线单元为左旋圆极化，则为逆时针旋转；旋转角度xi的计算公式，采用如下所示的旋转角度计算公式进行计算：
式中N为圆极化天线的个数(在该实施例中取值为8)，i＝1,2,...,N为圆极化天线的编号(编号顺序如图1所示)，l为模式数。
具体的：
如图6所示：若需要产生l＝1的OAM无线电波，则以图1为基准进行旋转：1号天线单元是以图1的1号天线单元为基准，顺时针旋转0度而得到的；2号天线单元是以图1的2号天线单元为基准，顺时针旋转π/4而得到的；3号天线单元是以图1的3号天线单元为基准，顺时针旋转π/2而得到的；i号天线单元是以图1的i号天线单元为基准，顺时针旋转2π(i-1)/N而得到的。如图7所示为在产生模式数为1的OAM无线电波时，垂直于天线传播方向上的某一平面的场相位图，从图7中可以看出，天线系统产生了螺旋相位波前，且OAM的模式数为1。
如图8所示：若需要产生l＝-1的OAM无线电波，则以图1为基准进行旋转：2号天线单元是以图1的1号天线单元为基准，顺时针旋转0度而得到的；2号天线单元是以图1的2号天线单元为基准，顺时针旋转-π/4而得到的(即逆时针旋转π/4)，剩余的各个天线单元依据公式计算即可。如图9所示为在产生模式数为-1的OAM无线电波时，垂直于天线传播方向上的某一平面的场相位图，从图9中可以看出，天线系统产生了螺旋相位波前，且OAM的模式数为-1。
在天线旋转稳定后，外部输入的调制信号通过图3中的馈电网络输入端209输入到天线系统即可产生相应的OAM无线电波。

Claims (8)

1.一种OAM无线电波产生装置，其特征在于包括第一基板、第二基板、接地板、N个辐射贴片和馈电网络；第一基板和第二基板为绝缘介质基板，接地板为导电介质接地板；第一基板的背面、接地板和第二基板的正面依次贴合；N个辐射贴片布置在第一基板的正面，馈电网络布置在第二基板的背面；N个辐射贴片组成N阵元的圆形天线阵列，且N个辐射贴片的中心位置在同一圆周上，所述圆周的半径为谐振频率所对应的波长的0.35～0.8倍；辐射贴片为圆极化天线；馈电网络的输入端为信号输入端口，馈电网络的输出端分别连接各个辐射贴片，且输入端口到各个输出端口的馈电网络长度均相等；N为自然数；通过将所述的第1～第N个辐射贴片各自旋转角度x1～xN，即可产生模式数为l的OAM无线电波；所述的l为整数，且所述辐射贴片按顺时针方向或者逆时针方向连续编号。
2.根据权利要求1所述的OAM无线电波产生装置，其特征在于所述的馈电网络为微带线馈电网络。
3.根据权利要求2所述的OAM无线电波产生装置，其特征在于所述的微带线馈电网络上设置有若干处三角形切口，用于减小微带线在拐角处不连续所引起的反射和辐射。
4.根据权利要求3所述的OAM无线电波产生装置，其特征在于所述的圆极化天线的馈电为同轴线中心馈电。
5.根据权利要求1～4之一所述的OAM无线电波产生装置，其特征在于所述的圆极化天线为正方形金属贴片，金属贴片的一对对角上设置有调谐枝节；在金属贴片上开有一类正方形槽，类正方形槽的一条边未连通；所述类正方形槽所形成的正方形的中心点与正方形金属贴片的中心点重合，类正方形槽的边与正方形金属贴片的边平行，类正方形槽的对称轴通过正方形金属贴片的中心点。
6.根据权利要求5所述的OAM无线电波产生装置，其特征在于所述的类正方形槽的有效长度L采用公式进行计算：
式中c为真空中的光速，f0为谐振频率，λg为波导波长，εeff为基板的有效介电常数且εr为基板的相对介电常数。
7.根据权利要求6所述的OAM无线电波产生装置，其特征在于所述的调谐枝节为矩形，调谐枝节矩形的对称轴与调谐枝节所在的对角的对角线重合，且调谐枝节矩形的两条边与调谐枝节所在的对角的对角线垂直。
8.根据权利要求1所述的OAM无线电波产生装置，其特征在于所述的旋转角度采用如下公式进行计算：
其中xi为第i个辐射贴片旋转的角度，N为辐射贴片的个数，l为产生OAM无线电波的模式数；且若圆极化天线单元为右旋圆极化，则旋转角度xi为顺时针旋转；若圆极化天线单元为左旋圆极化，则旋转角度xi为逆时针旋转。
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