CN108429003A - 一种可生成涡旋电磁波的锥形共形贴片天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可生成涡旋电磁波的锥形共形贴片天线，其中间为介质基质板，最底部连接接地板，通过50Ω的同轴电缆馈电；特征是介质基质为锥形，将挖槽圆环形金属贴片共形于锥形基质，实现单点馈电；在保持内外半径比不变的情况下通过改变挖槽圆环的内半径的电长度，使天线产生实现具有不同拓扑核数的涡旋电磁波，该天线可实现的增益在3.2dB；在其外部增加一个圆锥形喇叭结构，以实现5dB增益的提高，整体提高天线的性能，最终可使增益达到8.2dB。本发明减少了涡旋波天线的尺寸和结构的复杂程度，克服不易集成的问题，成本和功耗大大降低；提高了天线的增益，从而可以实现涡旋波更好的传输，对于OAM通信系统的构建具有非常重要的作用。

Description

一种可生成涡旋电磁波的锥形共形贴片天线

技术领域

本发明属于射频天线技术领域，具体涉及可生成涡旋电磁波的锥形共形贴片天线。

背景技术

1992年由Allen L等人发布于《Physical Review A Atomic Molecular》45期11刊上的“Orbital angular momentum of light and transformation of LaguerreGaussian Laser modes”一文中指出，电磁(EH)场不仅可以携带能量，还可以携带自旋角动量(SAM)和轨道角动量(OAM)。并指出，理论上OAM具有无限多个状态，且相互正交，这对扩大通信系统的容量具有重大的意义。近年来其在射频的应用开始成为热点，因此在射频段OAM的产生成为了其应用的关键。

2007年《Physical Review Letters》99期第八刊上的“Utilization of photonorbital angular momentum in the low-frequency radio domain”一文中首先指出了可采用相控阵天线来产生涡旋电磁波，它是将n个相同的元素以r为半径等间隔放置，输入等幅具有连续相位差的激励。基于这种方法，2016年八月《IEEE Antennas&WirelessPropagation Letters》第744-747页“A Broadband Dual-Polarized Dual-OAM-ModeAntenna Array for OAM Communication”中提出了将不同模式数的涡旋电磁波加载到不同的极化状态上，以偶极子作为阵列元素分别对水平极化和竖直极化进行调控，由此产生双极化双模式数的涡旋电磁波，可以工作在较宽的频带范围内。因为阵列天线产生涡旋电磁波可以看做是对连续的圆形孔径的空间采样，所以在理论上无法产生比较纯的OAM模式，且阵列天线需要多端口进行馈电，由此增加了馈源的复杂程度，使体积变得庞大。因此，采用一种结构简单灵活，体积轻便的方法来生成涡旋电磁波对于OAM通信具有非常重要的意义。

发明内容

本发明目的是提供一种可生成涡旋电磁波的锥形共形贴片天线，以使结构简单灵活，增益提高，克服现有技术馈电复杂、结构庞大等缺陷。

本发明可生成涡旋电磁波的锥形共形贴片天线，其顶端为圆环形金属贴片，中间为介质基质，最底部连接接地板，采用50Ω的同轴馈电；其特征在于：所述介质基质为锥形，将所述圆环形金属贴片共形于锥形基质，在所述圆环形金属贴片靠近外环的位置挖掉两个物理长度与所传输电磁波波长之比即电长度为0.016λ₀*0.016λ₀的对称的方形槽以实现单点馈电，其中自由空间波长λ₀是光速与电磁波频率的比值，槽与馈电点的夹角为40度。

若在保持圆环形金属贴片内外半径比不变的同时而改变所挖槽圆环的内半径的电长度，可使天线产生具有不同拓扑核数的涡旋电磁波；

若将槽与馈电点的夹角取负，则产生相反拓扑核的涡旋电磁波。

在上述本发明的该锥形共形贴片天线基础上，在该天线外部再增加一个圆锥形喇叭结构，使该天线位于喇叭底端并且与喇叭之间通过一段柱形腔连接过度，用于阻抗匹配，将喇叭的内表面变成曲面，这样可以进一步增大天线的有效辐射面积，以实现5dB增益的提高，整体提高天线的性能，最终可使增益达到8.2dB。

相比于现有技术较为复杂的结构，本发明提出的锥形共形贴片天线通过单点馈电就可以产生涡旋电磁波，通过在圆环形金属贴片靠近外环的位置上面挖掉一对对称的方形槽，采用单点馈电便可以实现圆极化，使天线工作于高阶TM_nm模式便可以生成拓扑核数l＝n-1的圆极化涡旋波，在保持内外环半径比不变的情况下，通过改变圆环挖槽天线的内环半径可以使天线工作于不同的TM_nm模式，从而可以产生具有不同拓扑核的涡旋电磁波，简化了天线的馈电结构，降低了涡旋波天线的尺寸和结构的复杂程度，成本和功耗大大降低；由于本发明采用共形技术，将平面天线共形于锥形基质，使结构更加灵活；在此基础上，通过在天线外部增加一个锥形喇叭结构可以更有效地提高天线的增益，从而实现涡旋波更好的传输，对于OAM通信系统的构建具有非常重要的作用。

附图说明

图1是本发明可生成涡旋电磁波的锥形共形贴片天线结构示意图。

图2是本发明可生成涡旋电磁波的锥形共形贴片天线基础上增加喇叭后锥形共形贴片天线的结构。

图3是本发明的锥形共形贴片天线二维辐射方向图。

图4和图5是本发明的锥形共形贴片天线分别产生OAM的拓扑核数l＝-1,1的相位变化结果仿真,其中图4为拓扑核数l＝1,图5为拓扑核数l＝-1。

图6和图7分别是OAM的拓扑核数l＝-1,1所对应的x分量和y分量的相位变化，图6为拓扑核数l＝1，图7为拓扑核数l＝-1的仿真。

图8是没有喇叭与增加喇叭后的锥形共形贴片天线仿真的二维辐射增益对比图。

图9是不同喇叭半径对应不同二维辐射方向图的仿真。

图10为曲面喇叭天线与经典喇叭天线的二维辐射方向图对比。

图11和图12分别是本发明可生成涡旋电磁波的锥形共形贴片天线分别产生OAM的拓扑核数l＝-2,2的相位变化结果仿真，其中图11为拓扑核数l＝2,图12为拓扑核数l＝-2的仿真。

具体实施方式

下面结合附图对本发明及其效果做进一步说明。

本发明提供一种可生成涡旋电磁波的锥形共形贴片天线，其结构如图1所示，包括锥形介质基质板a、共形于锥形介质基质板a上的挖有对称槽e的圆环形微带贴片b、介质基质下端的接地板c以及一个同轴馈电点d，本发明的结构为单点馈电；所述挖槽圆环形微带贴片b所挖的槽e为方形，在圆环的靠近外环的位置，两个槽对称设放置；通过调节对称槽e的大小以及对称槽e与馈电点d的夹角可以实现较好的阻抗匹配，从而保证本发明的天线可以辐射出较多的能量；在挖槽圆环内外半径比不变的情况下，调节挖槽圆环的内半径的电长度可以使所述的锥形共形贴片天线产生不同模式的涡旋波。

如图2所示为在本发明可生成涡旋电磁波的锥形共形贴片天线基础上增加喇叭后锥形共形贴片天线的结构，使本发明的锥形共形贴片天线位于喇叭底端并且与喇叭f之间通过一段柱形腔g连接过度，用于阻抗匹配，将喇叭的内表面变成曲面，这样可以进一步增大天线的有效辐射面积，以实现较好的方向性以及增益的提高，整体提高天线的性能，增加圆锥形喇叭结构后的锥形共形贴片天线最终可实现8.2dB的增益。

实施例1：先结合附图详细介绍本发明可生成拓扑核数l＝1和l＝-1涡旋电磁波的锥形共形贴片天线的一种具体实施方式。

步骤1：设计工作模式l＝1和l＝-1，工作频率为2.4GHz的锥形共形贴片天线，图1是本发明可生成涡旋电磁波的锥形共形贴片天线结构图。从图1中可以看出：本发明锥形共形贴片天线主要由锥形介质基质板a，接地板c，挖有对称方形槽e的圆环金属贴片b以及同轴馈电点d组成。圆环金属贴片b共形于锥形基质板a，锥形基质板a的低端连接地板c，采用50Ω的同轴馈电，锥形基质板a使用的材料是Rogers RT/duroid 5870。如图1中所示，圆环金属贴片b的外径r1是其内径r2的1.5倍，其中内径r2＝0.177λ₀，方形槽e的长度L＝0.016λ₀和宽度W＝0.016λ₀，对称方形槽e与同轴馈电点d的夹角当对称方形槽e与馈电点d夹角时，可以激发天线工作于右手圆极化的TM₂₁模式从而产生分别对应于拓扑核数l＝1的涡旋电磁波；当对称槽e与馈电点d夹角为时，可以激发天线工作于左手圆极化的TM₂₁模式从而产生分别对应于拓扑核数l＝-1的涡旋电磁波。

为了进一步提高天线的增益，采用如图2所示结构，即在上述图1所示锥形共形贴片天线的外部添加一个喇叭f，与天线之间通过柱形腔g过度以实现阻抗匹配，可以增大天线的有效辐射面积。因为有效辐射面积正比于天线的增益，关系为增益G＝4π/λ²Se，通过公式可以看出：天线增益G与天线的孔径面积S和天线的孔径效率e成正比。孔径效率可以分为由孔径振幅渐降引起的效率和EH面相位平方分布所引起的口径效率。天线口径越大，即有效辐射面积越大，增益越大，但是口径的增大会降低相位平方分布引起的口径效率间接地降低增益，因此存在一个最优值可以使增益最大化，图2是本发明锥形共形贴片天线增加喇叭后的结构，圆锥形的喇叭f加在图1所示整体天线结构的外部，与天线之间通过过度腔g过度以实现阻抗匹配，微带贴片天线的原有参数不变，锥形喇叭的底端的半径为horn_r1＝0.6116λ₀，锥形喇叭顶部的半径为horn_r＝0.808λ₀，连接喇叭与天线的过渡圆柱的高度为horn_h＝0.24λ₀。

步骤2：在仿真软件HFSS(High Frequency Structure Simulator)中按照步骤1所给的数据进行建模仿真，仿真得到图3为本发明天线在xoz面和yoz面的二维辐射方向图，两条曲线几乎重合说明该天线在这两个方向的辐射能力相似，在theta＝0处值最低，随着角度向两边增大，增益有所增加，约在theta＝45deg处增益最大可以达到3.2dB，theta再增大增益会逐渐降低，所以最大增益值为3.2dB。仿真得到的天线辐射的电场相位示于图4和图5，图4相位在theta＝360度范围内变化了2π对应l＝1，图5相位在theta＝360度范围内变化了-2π对应l＝-1；为了进一步研究所产生的涡旋波的极化情况，将l＝1和l＝-1的x分量和y分量的变化情况示于图6和图7，该图说明了天线的极化状态，如图6所示，两分量的变化情况相同，在theta＝360度内相位都变化了2π，但当l＝1的时候，y分量超前x分量90度的相位从而导致右手圆极化涡旋电磁波的产生；l＝-1的时候情况相反示于图7，y分量滞后x分量90度的相位从而导致左手圆极化涡旋电磁波的产生。没有喇叭与增加喇叭后的锥形共形贴片天线仿真的二维辐射增益对比图示于图8，图8中实线代表添加喇叭后的天线二维辐射增益图，图8中虚线代表没有喇叭的天线二维辐射增益图，通过图8可以看出添加喇叭后的天线增益有所提高达到6.4dB，并且波束变窄，方向性提高。图9是不同喇叭半径对应不同二维辐射方向图的仿真。从图9可以看出随着喇叭扩展后的顶部半径的变化：horn_r＝0.72λ₀,0.88λ₀,1.04λ₀,1.2λ₀,1.36λ₀，所对应的的增益分别为2.8dB,5.5dB,6.4dB,4.6dB,3.4dB。增益随着半径的增大有着先增加后减小的趋势，并且当horn_r＝1.04λ₀时存在一个最大的增益6.4dB。在此基础上，如果将喇叭的面变成曲面，可以实现在结构尺寸不增加的情况下，增大喇叭的面积从而提高增益。图10是曲面喇叭天线与经典喇叭天线的二维辐射方向图对比。其中图10中实线代表经典喇叭天线的二维辐射方向图，图10中虚线代表曲面喇叭天线的二维辐射方向图，通过图9的二维辐射方向图的对比可以看出，将喇叭面变成曲面最终可以实现8.2dB的增益，提高了近2dB。

实施例2：

步骤1：设计工作模式l＝2和l＝-2，工作频率为2.4GHz的锥形共形贴片天线，图1是本发明锥形共形贴片天线结构图，从结构图1可以看出：本发明锥形共形贴片天线主要由锥形介质基质板a，接地板c，挖掉方形槽e的圆环金属贴片b以及同轴馈电点d组成。贴片b共形于锥形基质板a，基质板a的低端连接接地板c，采用50Ω的同轴馈电，基质材料是RogersRT/duroid 5870。共形后的圆环内径r2＝0.2632λ₀，外径r1是内径r2的1.5倍。对称槽e的尺寸是L*W＝0.016λ₀*0.016λ₀，其与馈电点d的夹角为方形槽e与馈电点d夹角为时，可以激发天线工作于右手圆极化的TM₃₁模式从而产生l＝2的涡旋电磁波；当槽与馈电点夹角为时，可以激发天线工作于左手圆极化的TM₃₁模式从而产生l＝-2的涡旋电磁波。

步骤2：在仿真软件HFSS中按照步骤1所给的数据进行建模仿真，仿真得到图11和图12为本发明天线可生成涡旋电磁波的锥形共形贴片天线分别产生OAM的拓扑核数l＝-2,2的相位变化结果仿真，其中图11为l＝2，图12为l＝-2。如图11和图12所示，图11相位在theta＝360度范围内变化了4π，对应l＝2；图12相位在theta＝360度范围内变化了-4π，对应l＝-2。

Claims (3)

1.一种可生成涡旋电磁波的锥形共形贴片天线，其顶端为圆环形金属贴片，中间为介质基质，最底部连接接地板，采用50Ω的同轴馈电；其特征在于：所述介质基质为锥形，将所述圆环形金属贴片共形于锥形基质，在所述圆环形金属贴片靠近外环的位置挖掉两个物理长度与所传输电磁波波长之比即电长度为0.016λ₀*0.016λ₀的对称的方形槽以实现单点馈电，其中自由空间波长λ₀是光速与电磁波频率的比值，槽与馈电点的夹角为40度。

2.如权利要求1所述可生成涡旋电磁波的锥形共形贴片天线，特征在于：在保持圆环形金属贴片内外半径比不变的同时改变所挖槽圆环的内半径的电长度以使天线产生具有不同拓扑核数的涡旋电磁波；将槽与馈电点的夹角取负以产生相反拓扑核的涡旋电磁波。

3.如权利要求1所述可生成涡旋电磁波的锥形共形贴片天线，特征在于：在所述锥形共形贴片天线外部增加一个圆锥形喇叭结构，使该天线位于喇叭底端并且与喇叭之间通过一段柱形腔连接过度用于阻抗匹配，将喇叭的内表面变成曲面以进一步增大天线的有效辐射面积从而提高天线的增益。