CN108281782A - 一种基片集成波导谐振腔oam天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及天线领域，尤其涉及一种基片集成波导谐振腔OAM天线。包括基底和印刷在基底下表面的接地端；天线还包含印刷在基底上表面的外环形贴片和内圆形贴片；同时，还包括穿过基底的外圈周期性金属化通孔、内圈周期性金属化通孔、金属探针一和金属探针二；金属探针一和金属探针二的顶部与外环形贴片焊接。有益效果：相对于现有OAM天线，本发明的谐振腔缝隙天线高度小型化、易集成，能用同一辐射单元在不同频点产生多种不同模的OAM。

Description

一种基片集成波导谐振腔OAM天线
技术领域
本发明涉及天线领域，尤其涉及一种基片集成波导谐振腔OAM天线。
背景技术
为缓解频谱资源紧张与无线业务需求日益增长之间的矛盾，各种着眼于调制和编码的无线电技术应运而生。随着这些技术的广泛应用和逐步成熟，无线频谱资源的利用率得到了较大增长；但同时，频率、相位、时间、振幅这些无线电的传统复用自由度已被日趋充分地开发，基于这些维度的调制和编码的技术难以再让现有频谱效率有大幅度的提升。然而，近来兴起的轨道角动量(Orbital Angular Momentum, OAM)通信技术却独辟蹊径，将传统平面波扭曲成涡旋电磁波，用不同模态涡旋电磁波间的正交性提供全新的复用维度，极大提升频谱效率。OAM的可观前景，使研究出一种能有效产生并复用多个OAM模的天线成为当前热点。
目前，主流OAM天线可分为均匀圆形阵列、螺旋相位板、电磁超表面和环形行波天线四类，但大都因在小型化和多模复用上存在困难而在实际应用中受到限制。圆形阵列涉及到复杂的馈电网络和阵元间的互耦问题；螺旋相位板结构立体，难以平面化，难以多模复用，且介质板带来的损耗较大；电磁超表面天线结构复杂，成本较高，多采用难以小型化的反射面结构。近来虽出现一些采用环形行波原理、能够产生多种OAM模的天线，但均是通过多个馈电网络或多个辐射单元的简单叠加来产生多模OAM，并未对单个辐射单元产生多OAM模的可能性加以研究和利用。
发明内容
发明的目的：为了提供一种效果更好的基片集成波导谐振腔OAM 天线，具体目的见具体实施部分的多个实质技术效果。
为了达到如上目的，本发明采取如下技术方案：
一种基片集成波导谐振腔OAM天线，其特征在于，包括基底和印刷在基底下表面的接地端；天线还包含印刷在基底上表面的外环形贴片和内圆形贴片；同时，还包括穿过基底的外圈周期性金属化通孔、内圈周期性金属化通孔、金属探针一和金属探针二；金属探针一和金属探针二的顶部与外环形贴片焊接。
本发明进一步技术方案在于，所述外环形贴片、内圆形贴片、接地端与外圈周期性金属化通孔、内圈周期性金属化通孔，共同围成了一个基片集成波导腔体结构。
本发明进一步技术方案在于，所述外环形贴片和内圆形贴片之间的空隙构成SIW顶部的环形辐射缝隙。
本发明进一步技术方案在于，所述金属探针一和金属探针二间隔 90°圆心角，被用来接入馈电端口和端口以向SIW腔体馈电。
本发明进一步技术方案在于，所述接地端(GND)在金属探针一和金属探针二穿过的位置蚀刻有孔，使能量分别得以穿过此两孔从金属探针一和金属探针二处馈入SIW腔体。
采用如上技术方案的本发明，相对于现有技术有如下有益效果：相对于现有OAM天线，本专利的谐振腔缝隙天线高度小型化、易集成，能用同一辐射单元在不同频点产生多种不同模的OAM。
附图说明
为了进一步说明本发明，下面结合附图进一步进行说明：
附图说明
图1是本发明实施例的分层结构示意图。
图2是本发明实施例的基底1上的尺寸参数图。
图3是本发明实施例的基底7上的尺寸参数图。
图4是本发明实施例s11曲线的仿真与实测结果。
图5是天线在4.1GHz产生的l＝1的涡旋相位图(左为仿真结果，右为实测结果，下同)。
图6是天线在6.2GHz产生的l＝3的涡旋相位图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
实施例
图1为本发明实施例提供的SIW谐振腔OAM天线结构分层示意图。如图所示，此实施例由基底1和基底7组成。基底1下表面印刷有接地端GND，上表面印刷有外环形贴片2、内圆形贴片3；同时，基底1还开有外圈周期性金属化通孔4、内圈周期性金属化通孔5；所述接地端GND，在金属探针一12、金属探针二13穿过的位置蚀刻有两孔，即孔14(图 1中只标明一处；图3中两个半径为RGND的虚线圆即为孔14)。基底7下表面印刷有微带线8。微带线8作为3dB功分器,其输入端口为端口9，输出端口为端口10和端口11。
所述金属探针一12和金属探针二13穿过基底1和基底7，其上端与基底1上表面的外环形贴片2焊接，下端分别与端口10和端口11焊接。
所述基底1，其上表面的外环形贴片2、内圆形贴片3，下表面的接地端GND，外圈周期性金属化通孔4、内圈周期性金属化通孔5，共同围成了一个含顶部环形辐射缝隙6的SIW腔体结构。
所述基底7，其上表面的接地端GND与下表面的微带线8构成3dB 功分器。其中，端口9接SMA接头，与馈源相连；端口10、端口11分别与金属探针一12和金属探针二13焊接；微带线8的两臂长度相差λg/4， (λg为介质中的波长)，使端口10与端口11的相位相差90°。这样的馈电结构将在SIW腔体中激励起行波场分布，此时的环形缝隙6等效为一个行波磁流天线。
根据矩形金属波导谐振腔本征模理论，当腔体长度为λg/2的整数倍时，腔内电磁场发生谐振；另外，研究发现，若载有行波的环天线周长是行波波长的整数l倍，则此天线能在远场产生模为l的 OAM。据此，本发明通过合理设计SIW谐振腔尺寸，即可在其不同谐振频点产生不同OAM模。
传统SIW腔的TEm0n模谐振频率公式为
其中，L为基片集成波导长度，n是L相对于半导波波长λg/2的倍数。c为真空中的光速，εr为基片集成波导介质的相对介电常数；ae是基片集成波导的等效宽度，可用下式近似计算：
其中，a为SIW实际宽度，r和d分别是基片集成波导金属通孔的半径和孔间距。由于此天线中的基片集成波导弯曲成了环形，为近似计算其谐振频率，(1)式中的L可近似为环形基片集成波导的周长：
其中，Rs为环形SIW腔的环半径。在谐振频率上产生模为l的轨道角动量，环周长应为导波波长λg的l倍；而(3)式中的n即是环周长比上λg/2的比值，因此应有n＝2l。于是，谐振在频率fTEm0率、产生模为 l的天线尺寸可由下式估计：
(4)式中，若Rs与ae取定值，当l取不同整数，fTEm0率也随之确定。可见，此天线具有在不同频率产生不同轨道角动量模式的能力。
根据以上原理，经优化设计，在本具体的实施例中，最终确定图 2、图3中的各参数尺寸如下表：(单位：mm)
Lu W Ri Ro1 Ro2 Rp d L RGND L1 L2 L3 L4 W1 W2
57 57 13.5 14 24.5 0.5 1.5 62 1.4 14.1 13.4 5.2 6.5 1 0.5
另外，本实施例中基底1的厚度h1＝1.575mm,基底7的厚度h2＝0.508mm,基底1与基底7均使用FR4环氧树脂，相对介电常数εr＝4.4。
对该实施例的实物进行了仿真和实测分析。如图4，该实施例仿真所得谐振频点与实测所得谐振频点吻合较好；同时，如图5、图6 所示，在4.1GHz(fTE101)和6.2GHz(fTE103),该天线分别产生了l＝1和l＝3 的OAM涡旋相位，与理论分析吻合。
相对于现有OAM天线，本专利的谐振腔缝隙天线高度小型化、易集成，能用同一辐射单元在不同频点产生多种不同模的OAM。同时，关于该种天线物理尺寸、各模谐振频率和对应的OAM模数l的近似公式也已被推导出，能根据实际应用所需，设计出在工作在任意谐振频率和OAM模态的天线。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本领域的技术人员应该了解本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的范围内。

Claims (5)

1.一种基片集成波导谐振腔OAM天线，其特征在于，包括基底（1）和印刷在基底（1）下表面的接地端（GND）；天线还包含印刷在基底（1）上表面的外环形贴片（2）和内圆形贴片（3）；同时，还包括穿过基底（1）的外圈周期性金属化通孔（4）、内圈周期性金属化通孔（5）、金属探针一（12）和金属探针二（13）；金属探针一（12）和金属探针二（13）的顶部与外环形贴片（2）焊接。
2.如权利要求1所述的一种基片集成波导谐振腔OAM天线，其特征在于，所述外环形贴片（2）、内圆形贴片（3）、接地端（GND）与外圈周期性金属化通孔（4）、内圈周期性金属化通孔（5），共同围成了一个基片集成波导腔体结构。
3.如权利要求1所述的一种基片集成波导谐振腔OAM天线，其特征在于，所述外环形贴片（2）和内圆形贴片（3）之间的空隙构成SIW顶部的环形辐射缝隙（6）。
4.如权利要求1所述的一种基片集成波导谐振腔OAM天线，其特征在于，所述金属探针一（12）和金属探针二（13）间隔900圆心角，被用来接入馈电端口（10）和端口（11）以向SIW腔体馈电。
5.如权利要求1所述的一种基片集成波导谐振腔OAM天线，其特征在于，所述接地端（GND）在金属探针一（12）和金属探针二（13）穿过的位置蚀刻有孔（14），使能量分别得以穿过此两孔从金属探针一（12）和金属探针二（13）处馈入SIW腔体。
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