CN108963440A - 基于调相的多波束多模态涡旋波束产生装置 - Google Patents

基于调相的多波束多模态涡旋波束产生装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于调相的多波束多模态涡旋波束产生装置，主要解决现有技术中涡旋波束覆盖范围小、阵元数众多且馈源影响波束的问题。其包括第一介质基板(1)、第二介质基板(2)、地板(3)和微带天线单元(4)，每个微带天线单元包括微带贴片、微带馈线、输入端口，微带贴片印制在第一介质基板上表面，微带馈线印制在第二介质基板上表面，输入端口垂直嵌入第二介质基板中，且与对应的微带馈线相连，第一介质基板下表面与第二介质基板上表面紧贴，第二介质基板下表面与地板紧贴。每个输入端口为各自连接的微带馈线提供激励，以将能量耦合至对应的微带贴片产生涡旋波。本发明能产生多波束多模态的涡旋波束，可应用于无线通信与雷达成像中。

Description

基于调相的多波束多模态涡旋波束产生装置
技术领域
本发明属于天线技术领域，特别涉及一种多波束多模态涡旋波束的产生装置，可用于通信与成像系统。
背景技术
电磁波是无线通信中信息的载体，其幅度、频率、偏振态等自由度已被人们广泛研究并应用于复用通信中，大大地提升了无线通信的速率。然而，随着社会的不断发展，无线业务飞速增长，原有技术已难以适应现今无线通信发展的需求。轨道角动量OAM作为电磁波未被广泛应用的自由度，理论上可在同频拥有无穷多种相互正交的模态，因此其模态信息可作为一种编码手段。当电磁波携带有OAM时，其相位特征与平面波和球面波相比发生巨大变化，波前相位在空间呈现螺旋状分布，因此被称为涡旋电磁波，简称涡旋波。涡旋波因携带有OAM而可作为复用通信中信息的载波，其模态的正交性与多样性使得其在无线通信与成像领域体现出巨大应用前景，近年来受到广泛关注。
对涡旋波束产生装置的研究是其进一步应用研究的基础，目前，微波射频频段产生涡旋波束的方法主要有：利用单个天线或天线阵列直接产生、利用反射阵或透射阵调制平面波或球面波产生。其中，利用反射阵或透射阵调制产生涡旋波时，需要利用反射阵或透射阵对电磁波幅度与相位进行调制的功能，让馈源处入射的电磁波在空间不同点处产生涡旋波所需的相位分布，从而得到涡旋波。因反射阵与透射阵一经确定便不易修改，其产生涡旋波的模态因装置的确定而确定，导致同一装置只能产生固定模态的涡旋波。而利用天线阵列产生涡旋波束的方法，则可通过控制馈电相位的变化而用同一种装置产生不同模态的涡旋波。其中，均匀圆形阵列UCA是最为常见的产生涡旋波的阵列天线，其由沿圆周均匀排布的天线阵元构成，利用馈电网络为阵列中的每个阵元进行馈电，从而实现垂直于阵列所在平面的不同模态涡旋波束的产生。
以上的各类涡旋波束产生装置都可产生垂直于产生装置所在平面的涡旋波束，但难以实现对涡旋波束的有效调控，往往不能实现涡旋波束的偏转，更无法进一步产生多波束多模态的涡旋波束。目前，利用反射阵数量众多的阵元，并通过改变各阵元的物理尺寸，对电磁波的幅度或相位进行调控，已可产生多波束多模态的涡旋波束，但其所需阵元数量众多，装置体积巨大，且整个装置对馈源与反射阵的相对位置有严格要求，不利于操作。又由于馈源位于反射阵产生涡旋波束的传播路径上，势必对产生的涡旋波束产生影响，因此会影响涡旋波的质量。若利用UCA产生多波束多模态的涡旋波，仅需少量阵元，且并不存在馈源与反射阵之间的各种限制，但目前并没有利用UCA实现多波束多模态涡旋波束的装置。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，根据天线阵列与天线赋形波束理论，提出了一种利用相位的调制实现多波束多模态涡旋波束的产生装置，以利用少量阵元实现对涡旋波束的有效调控，提高涡旋波束的覆盖范围，减少产生多波束涡旋波束时所需阵元个数，同时避免馈源对反射阵所产生涡旋波束的影响，使得涡旋波束的产生装置变得简单，同时具有多种功能。
为实现上述目的，本发明基于调相的多波束多模态涡旋波束产生装置，包括第一介质基板1、第二介质基板2、地板3和微带天线单元4，其特征在于：
所述微带天线单元4有N个，每个微带天线单元4包括方形微带贴片41、微带馈线42和输入端口43；N个沿圆周均匀分布的方形微带贴片41印制在第一介质基板1的上表面；N个与方形微带贴片41对应的微带馈线42印制在第二介质基板2的上表面，各微带馈线42的末端与对应的输入端口43连接，每个输入端口43为各自连接的微带馈线42提供激励，并通过微带馈线42将能量耦合至对应的方形微带贴片41，以产生涡旋波，其中8≤N≤16，且为整数。
进一步，其特征在于，第一介质基板1的下表面与第二介质基板2的上表面紧贴；第二介质基板2的下表面与地板3紧贴；输入端口43垂直嵌在第二介质基板2中。
进一步，其特征在于，N个微带天线单元4沿半径为R的圆周均匀分布，0.8λ≤R≤1.5λ，其中，λ其为微带天线单元4中心工作频率的波长。
进一步，其特征在于，每个输入端口43所提供激励的幅度相同，相位与对应方形微带贴片41所在位置有关，该相位的计算公式如下：
其中，j为虚数单位，为第i个微带天线单元4所需的馈电相位，为第i个方形微带贴片41的几何中心位置所对应的矢径，k为所产生不同涡旋波束的编号，M为上述各涡旋波束的总个数，为第k个波束所在方向的单位矢量，lk为第k个波束所具有的模态值，Φk为坐标变换的中间变量，其计算公式如下：
其中，j为虚数单位，xi与yi分别为第i个方形微带贴片41几何中心位置在直角坐标系中的横、纵坐标，与θk分别为所设计的第k个波束所指方向在球坐标系中的方位角与俯仰角。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
第一，本发明通过对UCA中各单元的馈电相位进行调控，可同时产生多波束多模态的涡旋波束，扩大了涡旋波束的覆盖范围。
第二，本发明由于只需少量的易于加工的天线单元，且只需要对各天线单元的相位进行调控，所以大大降低了多波束多模态涡旋波束产生装置的复杂程度。
第三，本发明相比于同样可产生多波束多模态涡旋波束的反射阵，避免了馈源对反射阵产生涡旋波束的影响。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为图1的俯视图；
图3为图1的侧视图；
图4为本发明实施例1的涡旋波束三维方向图；
图5为本发明实施例1的涡旋波束相位分布图；
图6为本发明实施例2的涡旋波束三维方向图；
图7为本发明实施例2的涡旋波束相位分布图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详述：
参照图1、图2和图3，本发明装置包括第一介质基板1、第二介质基板2、地板3、微带天线单元4；所述微带天线单元4有N个，其中8≤N≤16，且为整数；N个微带天线单元4均匀地排列在半径为R的圆周上，半径R与微带天线单元4的中心工作频率对应的波长λ之间满足：0.8λ≤R≤1.5λ；每个微带天线单元4都包含有方形微带贴片41、微带馈线42和输入端口43；方形微带贴片41的边长为r，5mm≤r≤6mm；微带馈线42的长为L，宽为W，8mm≤L≤12mm，0.5mm≤W≤3.5mm；第一介质基板1与第二介质基板2采用相同的介质，其相对介电常数为εr，4≤εr≤5，第一介质基板1与第二介质基板2皆为正方体，二者横截面边长皆为Rs，Rs＞2(R+L)。
所述方形微带贴片41印制于第一介质基板1的上表面，微带馈线42印制于第二介质基板2的上表面，第一介质基板1的下表面与第二介质基板2的上表面紧贴，第二介质基板2的下表面与地板3紧贴；输入端口43垂直嵌在第二介质基板2中，并与微带馈线42的末端相连；该第一介质基板1的厚度为H1，第二介质基板2的厚度为H2，输入端口43的宽为W，高度为H2，0.5≤H1≤1，1.5≤H2≤2.5。
所述每个输入端口43用于为与之相连的各微带馈线42提供等幅不同相的激励，并通过各微带馈线42将电磁能量耦合至与之对应的方形微带贴片41，从而将电磁能量由方形微带贴片41发射出去，形成涡旋波束。
所述输入端43所提供激励的幅度相同，相位与对应微带贴片41所在位置有关，该相位的计算公式如下：
其中，j为虚数单位，为第i个微带天线单元4所需的馈电相位，为第i个方形微带贴片41的几何中心位置所对应的矢径，k为所产生不同涡旋波束的编号，M为上述各涡旋波束的总个数，为第k个波束所在方向的单位矢量，lk为第k个波束所具有的模态值，Φk为坐标变换的中间变量，其计算公式如下：
其中，j为虚数单位，xi与yi分别为第i个方形微带贴片41几何中心位置在直角坐标系中的横、纵坐标，与θk分别为所设计的第k个波束所指方向在球坐标系中的方位角与俯仰角。
本发明的效果可通过以下仿真实例进一步说明。
实施例1：
本实例设计中心工作频率f＝5.8GHz，各结构参数如下：
方形微带贴片的边长r＝5.6mm；微带馈线的长度L＝10mm；宽度W＝1mm；第一介质基板的厚度H1＝0.5mm；第二介质基板的厚度H2＝2mm；介质基板相对介电常数εr＝4.4；微带天线单元个数N＝8、天线单元所分布圆周的半径R＝1.2λ＝62mm；第一介质基板与第二介质基板的横截面边长Rs＝151mm；
涡旋波束偏转方位角偏转俯仰角θ＝20°、模态值：+1。
为方便起见，将x轴上的微带天线单元的标号记为1，并按逆时针顺序依次为之后的微带天线单元记标号，计算得到每个微带天线单元所需的馈电相位，从而得到各微带天线单元所需的幅度与相位如表一所示：
表一
单元标号 1 2 3 4 5 6 7 8
幅度 1 1 1 1 1 1 1 1
相位 -147 -61 90 -118 -32 -32 -90 -147
根据表一提供的馈电信息，利用高频电磁仿真软件HFSS对本发明的装置进行仿真，得到图4所示的涡旋波束三维方向图和图5所示的涡旋波束相位分布图。
由图4所示三维方向图可以看出涡旋波束传播方向的单位矢量为其对应的方位角为0°，俯仰角为20°，由图5所示相位分布图可以看出所产生涡旋波的模态值为+1，达到了设计要求。
实施例2：
本实例设计中心工作频率f＝5.8GHz，各结构参数如下：
方形微带贴片的边长r＝5.6mm；微带馈线的长度L＝10mm；宽度W＝1mm；第一介质基板的厚度H1＝0.5mm；第二介质基板的厚度H2＝2mm；介质基板相对介电常数εr＝4.4；微带天线单元个数N＝8、天线单元所分布圆周的半径R＝1.3λ＝67mm；第一介质基板与第二介质基板的横截面边长Rs＝161mm；
第一个涡旋波束偏转方位角偏转俯仰角θ1＝20°、模态值：l1＝+1；
第二个涡旋波束偏转方位角偏转俯仰角θ2＝20°、模态值：l2＝-1；
为方便起见，将x轴上的微带天线单元的标号记为1，并按逆时针顺序依次为之后的微带天线单元记标号，可计算得到每个微带天线单元所需的馈电相位，从而得到各微带天线单元所需的幅度与相位如表二所示：
表二
单元标号 1 2 3 4 5 6 7 8
幅度 1 1 1 1 1 1 1 1
相位 -90 -90 90 -90 -90 -90 -90 -90
根据表二提供的馈电信息，利用高频电磁仿真软件HFSS对本发明的装置进行仿真，得到图6所示的涡旋波束三维方向图和图7所示的涡旋波束相位分布图。
由图6所示三维方向图可以看出本实例产生了两个涡旋波束，且两个波束传播方向的单位矢量分别为与其中对应的方位角为0°，俯仰角为20°，对应的方位角为180°，俯仰角为20°，由图7所示相位分布图可看出两个涡旋波束的模态值分别为+1与-1，达到了设计要求。
以上描述仅是本发明的两个具体实施例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于调相的多波束多模态涡旋波束产生装置，包括第一介质基板(1)、第二介质基板(2)、地板(3)和微带天线单元(4)，其特征在于：
所述微带天线单元(4)有N个，每个微带天线单元(4)包括方形微带贴片(41)、微带馈线(42)和输入端口(43)；N个沿圆周均匀分布的方形微带贴片(41)印制在第一介质基板(1)的上表面；N个与方形微带贴片(41)对应的微带馈线(42)印制在第二介质基板(2)的上表面，各微带馈线(42)的末端与对应的输入端口(43)连接，每个输入端口(43)为各自连接的微带馈线(42)提供激励，并通过微带馈线(42)将能量耦合至对应的方形微带贴片(41)，以产生涡旋波，其中8≤N≤16，且为整数。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，第一介质基板(1)的下表面与第二介质基板(2)的上表面紧贴；第二介质基板(2)的下表面与地板(3)紧贴；输入端口(43)垂直嵌在第二介质基板(2)中。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，N个微带天线单元(4)沿半径为R的圆周均匀分布，0.8λ≤R≤1.5λ，其中，λ为微带天线单元(4)中心工作频率的波长。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，每个输入端口(43)所提供激励的幅度相同，相位与对应方形微带贴片(41)所在位置有关，该相位的计算公式如下：
其中，为第i个微带天线单元(4)所需的馈电相位，为第i个方形微带贴片(41)的几何中心位置所对应的矢径，k为所产生不同涡旋波束的编号，M为上述各涡旋波束的总个数，为第k个波束所在方向的单位矢量，lk为第k个波束所具有的模态值，Φk为坐标变换的中间变量，其计算公式如下：
其中，xi与yi分别为第i个方形微带贴片(41)几何中心位置在直角坐标系中的横、纵坐标，与θk分别为所设计的第k个波束所指方向在球坐标系中的方位角与俯仰角。
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