CN108879081B - 一种透射式多模复用轨道角动量天线 - Google Patents

一种透射式多模复用轨道角动量天线 Download PDF

Info

Publication number
CN108879081B
CN108879081B CN201810724773.2A CN201810724773A CN108879081B CN 108879081 B CN108879081 B CN 108879081B CN 201810724773 A CN201810724773 A CN 201810724773A CN 108879081 B CN108879081 B CN 108879081B
Authority
CN
China
Prior art keywords
transmission
angular momentum
orbital angular
antenna
transmission type
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.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201810724773.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108879081A (zh
Inventor
李�浩
杨晓光
赵加宁
汪海洋
周翼鸿
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.)
University of Electronic Science and Technology of China
Original Assignee
University of Electronic Science and Technology of China
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 University of Electronic Science and Technology of China filed Critical University of Electronic Science and Technology of China
Priority to CN201810724773.2A priority Critical patent/CN108879081B/zh
Publication of CN108879081A publication Critical patent/CN108879081A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108879081B publication Critical patent/CN108879081B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q25/00—Antennas or antenna systems providing at least two radiating patterns
    • H01Q25/04—Multimode antennas
    • 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
    • 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
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/24—Polarising devices; Polarisation filters 
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/061—Two dimensional planar arrays

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

本发明公开了一种透射式多模复用轨道角动量天线，属于微波天线技术领域。该天线由双极化馈源和透射阵面组成；双极化馈源为一种可产生携带两个正交主模的准高斯波束的正交模耦合器；透射阵面为M×N个透射型无源单元周期性排列而成，透射型无源单元为四层相同的开槽金属薄板层叠构成。本发明天线通过调节各单元参数可实现所需相位分布，提高了设计自由度与灵活度。能同时产生任意两种不同模式的轨道角动量，理论上可以无限增大系统的通信容量。还具有结构简单，剖面低，加工成本低等优势。

Description

一种透射式多模复用轨道角动量天线
技术领域
本发明属于微波天线技术领域，具体涉及一种透射式多模复用轨道角动量天线。
背景技术
近年来，随着人们对通信质量的要求越来越高，现代无线通信技术获得了快速发展，无线通信数据传输业务迅速增长，但同时也带来了通信信道日益拥挤，频谱资源日趋紧张等问题。如何在有限的频谱资源内提升频谱资源利用率，从而进行更大容量、更高效率的无线数据传输，是当今通信领域研究的热点问题。最新的研究结果表明，携带不同轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)模式的电磁波，具有螺旋形等相位面，且其携带的不同模式之间相互正交，各模式之间的信号可实现同时、同频多路传输，相互之间不存在干扰。因此，利用这一物理特性，可实现OAM复用，从而提高通信系统的通信容量。
目前，传统的通信天线(如基站天线)无法直接激励携带OAM模式的电磁波。针对这一问题，2015年，电子科技大学聂在平等人在专利“一种轨道角动量天线”(申请号：CN201510770352.X，申请日期：2015.11.12，申请公布日：2016.02.10，公开号：CN105322285A)中提出一种基于类抛物面结构的轨道角动量天线。该天线使用螺旋类天线作为初级馈源，通过对切割抛物面进行馈电，使得电场的积分路径与天线的曲线重合，辐射场在
Figure GDA0002700775230000011
与
Figure GDA0002700775230000012
方向上都有相位延迟，从而得到携轨道角动量电磁波。但所用切割抛物面通常体积庞大，剖面高，对加工精度要求较高。而且，该类型轨道角动量天线只能产生三种模式的轨道角动量，从而限制了通信系统信道容量大幅度增加。
Lei Fang等人提出一种轨道角动量天线[Lei Fang,Haohan Yao,and RashaundaHenderson.Design and Performance of OAM Modes Generated Using Dipole Arrayswith Different Feeds[C].IEEE Radio and Wireless Symposium,2018]，该天线利用偶极子进行组阵，通过改变各偶极子的馈线长度来调节电磁波相位，进而产生携轨道角动量的电磁波，但该天线不能同时产生两个轨道角动量模式，同时馈电网络复杂，损耗较大。
综上所述，现有轨道角动量天线存在体积庞大、产生轨道角动量模式有限等问题，无法满足现代通信系统小型化、大容量、高效率的要求。
发明内容
本发明提出一种新型透射式多模复用轨道角动量天线，该天线具有结构简单、剖面低、易加工且能根据具体应用需求同时产生两种任意轨道角动量模式等优点，为增加通信系统信道容量提供了一种新的技术途径。
本发明采取的技术方案是：
一种透射式多模复用轨道角动量天线，由双极化馈源和透射阵面组成。
所述双极化馈源为一种正交模耦合器，可产生携带两个正交主模的准高斯波束。
所述透射阵面为M×N个透射型无源单元周期性排列而成，其中M≥2，N≥2，M、N的值由天线的辐射效率、增益以及天线形状等因素决定。
所述透射型无源单元为四层相同的开槽金属薄板层叠构成。
进一步地，所述透射型无源单元的传输相位满足360度相移范围且保持高透过率(传输损耗通常小于-1dB)。
进一步地，所述透射型无源单元金属薄板之间设置有空气层，以增大单元相移曲线平滑度。
进一步地，所述金属薄板的开槽缝可以为矩形、十字形、圆环形等形状。
进一步地，所述透射阵面可以为圆形、方形、正六边形等对称形状。
进一步地，所述空气层通过在透射阵面每层金属薄板边缘添加支撑结构实现。
相比现有轨道角动量天线，本发明的有益效果是：
1、本发明天线具有结构简单，剖面低，加工成本低等优势。
2、本发明天线能同时产生任意两种不同模式的轨道角动量，理论上可以无限增大系统的通信容量。
3、本发明天线通过调节各单元参数可实现所需相位分布，提高了设计自由度与灵活度。
附图说明
图1.本发明实施例中透射式多模复用轨道角动量天线整体结构示意图；
图2.本发明实施例中透射式多模复用轨道角动量天线透射阵面俯视图；
图3.本发明实施例中透射型无源单元结构示意图(a)俯视图(b)正视图；
图4.本发明实施例中十字交叉槽缝单元x轴方向的移相特性曲线；
图5.本发明实施例中当yl变化时单元在x轴方向的相移特性曲线；
图6.本发明实施例中天线产生2阶轨道角动量模式时辐射电场相位分布图；
图7.本发明实施例中天线产生-2阶轨道角动量模式时辐射电场相位分布图；
图8.本发明实施例中天线产生2阶轨道角动量模式时的归一化辐射方向图；
图9.本发明实施例中天线产生-2阶轨道角动量模式时的归一化辐射方向图。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的、优势及技术思路，以下结合具体实施例，对本发明作进一步阐述。应当说明，以下给出的具体实施例是在本发明技术方案的前提下进行实施的，仅仅为了更好地解释说明本发明，并不用于限定本发明。
本实施例为一种工作于中心频点35GHz的透射式多模复用轨道角动量天线，其整体结构示意参照图1。包括双极化馈源1和透射阵面2，所述双极化馈源1为一种正交模耦合器，其辐射远场为双极化准高斯波束，且主瓣在E面和H面重合较好，满足对天线进行正馈馈电要求。所述透射阵面2俯视图参考图2，其形状为正方形排布，边长为83.2mm，由256个无源透射型单元按照16×16布阵方式周期性排列而成。所述透射型无源单元结构示意图如图3所示，它是由四层完全相同的开有十字形槽缝的金属薄板上下叠加而成，单元周期p为5.2mm。所述金属薄板厚度t为0.2mm，板与板之间空气层h为2.2mm。所述十字形槽缝中，所开槽缝宽度w＝1.1mm，长度分别为xl和yl。
通过合理改变各单元上xl和yl的大小，即可实现透射单元对y极化方向和x极化方向的入射波相位进行调节，从而使入射波透过透射阵面后合成为携带设定的轨道角动量模式的波束，实现任意两种轨道角动量模式的产生和定向辐射功能。透射阵面上各单元所需相移量可由式(1)确定。
Figure GDA0002700775230000041
其中k0是自由空间波数，dij是馈源相位中心到第(i,j)个单元的距离，(xi,yj)为第(i,j)个单元的中心坐标，l为轨道角动量模式阶数，
Figure GDA0002700775230000042
为第(i,j)个单元所需要补偿的相位值。
图4给出了本实施例中十字交叉槽缝单元在中心频点35GHz时工作于x极化方向的传输相位和传输幅值变化曲线，由图可知，在xl变化范围内，单元相移曲线满足360度变化范围，变化趋势较为平缓，且功率传输保持在-1.5dB以内,表明单元移相特性和传输特性较好，满足设计要求。
本实施例中的单元需工作于双极化状态，要求单元具有较好的极化隔离度。图5为yl对单元x极化方向移相特性曲线的影响，从图中可以看到，当yl发生变化时，x极化方向移相特性曲线几乎无变化，当天线工作于y极化方向时，同样得到上述结果，说明单元在两极化方向上的隔离度较好，有利于天线实现高效率辐射。本实施例中所设计的天线工作于x极化方向时，将产生2阶轨道角动量模式，工作于y极化方向时，将产生-2阶轨道角动量模式。
为了更好的说明本实施例中所设计天线的性能，图6展示了天线工作于x极化方向时辐射电场相位分布图，图7展示了天线工作于y极化方向时辐射电场相位分布图，由图可知，天线输出电场相位螺旋线连续性较好，且两图中螺旋线旋向相反，说明当天线工作于x极化方向时，天线实现了2阶轨道角动量模式，当天线工作于y极化方向时，天线实现了-2阶轨道角动量模式。天线产生2阶轨道角动量模式时的归一化辐射方向图如图8所示，天线产生-2阶轨道角动量模式时的归一化辐射方向图如图9所示，两主瓣沿轴线呈轴对称分布，达到预期设计目标。

Claims (5)

1.一种透射式多模复用轨道角动量天线，包括双极化馈源和透射阵面；
所述双极化馈源为一种正交模耦合器，可产生携带两个正交主模的准高斯波束；
所述透射阵面为M×N个透射型无源单元周期性排列而成，其中M≥2，N≥2；
所述透射型无源单元由四层相同的开槽金属薄板层叠构成。
2.如权利要求1所述的一种透射式多模复用轨道角动量天线，其特征在于：所述透射型无源单元的传输相位满足360度相移范围且保持高透过率即传输损耗小于-1dB。
3.如权利要求1所述的一种透射式多模复用轨道角动量天线，其特征在于：所述透射型无源单元金属薄板之间设置有空气层，空气层通过在透射阵面每层金属薄板边缘添加支撑结构实现。
4.如权利要求1所述的一种透射式多模复用轨道角动量天线，其特征在于：所述金属薄板的开槽缝为矩形、十字形、圆环形。
5.如权利要求1所述的一种透射式多模复用轨道角动量天线，其特征在于：所述透射阵面为圆形、方形、正六边形。
CN201810724773.2A 2018-07-04 2018-07-04 一种透射式多模复用轨道角动量天线 Expired - Fee Related CN108879081B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810724773.2A CN108879081B (zh) 2018-07-04 2018-07-04 一种透射式多模复用轨道角动量天线

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810724773.2A CN108879081B (zh) 2018-07-04 2018-07-04 一种透射式多模复用轨道角动量天线

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108879081A CN108879081A (zh) 2018-11-23
CN108879081B true CN108879081B (zh) 2021-02-02

Family

ID=64298778

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810724773.2A Expired - Fee Related CN108879081B (zh) 2018-07-04 2018-07-04 一种透射式多模复用轨道角动量天线

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108879081B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111175997A (zh) * 2020-01-05 2020-05-19 桂林电子科技大学 一种偏振可控的双模式轨道角动量叠加态产生器
CN112688088B (zh) * 2020-12-17 2021-10-12 北京邮电大学 双极化双模涡旋反射阵天线

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105322285B (zh) * 2015-11-12 2018-04-06 电子科技大学 一种轨道角动量天线

Also Published As

Publication number Publication date
CN108879081A (zh) 2018-11-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109103601B (zh) 一种双极化双模式电磁涡旋发生器
CN108539417B (zh) 一种圆极化轨道角动量反射阵天线
US9923281B2 (en) Dual antenna system
CN113555697A (zh) 一种基于折合式平面反射阵技术的圆极化高增益天线
CN108879081B (zh) 一种透射式多模复用轨道角动量天线
CN110112561A (zh) 一种单极化天线
CN114421163A (zh) 一种基于gps陶瓷天线阵列的圆极化涡旋波天线
CN111916893A (zh) 一种双频双极化多功能轨道角动量天线
US11581657B1 (en) Multi-directional, multi-port array antenna structure
CN112271444A (zh) 一种高增益双极化siw-cts天线阵
JP3472822B2 (ja) 偏波可変方式，偏波ダイバーシチ方式及び偏波変調方式
CN114709626B (zh) 一种基于超表面的法布里-珀罗谐振腔涡旋电磁波天线
CN110707420A (zh) 一种双极化天线振子及包含该天线振子的天线
CN111293421B (zh) 一种具有汇聚功能的偏馈式涡旋波发生器
CN212571339U (zh) 一种双频双极化多功能轨道角动量天线
CN102646872B (zh) 天线、复合天线及射频收发系统
Pedram et al. Evolution and move toward fifth-generation antenna
YE et al. Multibeam antenna based on butler matrix for 3G/LTE/5G/B5G base station applications
CN112397882B (zh) 一种用于高轨卫星宽波束高增益测距天线
CN114696114A (zh) 宽带圆极化折叠传输阵天线
CN114614249A (zh) 一种宽带圆极化磁电偶极子透射阵天线
WO2020159414A1 (en) Leaky wave antenna
CN111262023A (zh) 一种基于近场空馈机制的低剖面新型相控阵天线
Huang et al. Single-Band and Dual-Band Transmitarray Antenna With High Gain and Aperture Efficiency
TWI857411B (zh) 圓極化陣列天線模組及無線通訊裝置

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
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20210202