CN109449581A - 用于产生涡旋电磁波的椭圆贴片天线阵列 - Google Patents

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杨占彪
李平
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Abstract

本发明公开了一种用于产生涡旋电磁波的椭圆贴片天线阵列，主要解决目前产生涡旋电磁波使用的天线加工成本高，结构复杂的问题。其包括上、下两层介质基板(1，2)、金属地板(3)，圆弧状移相的N等分功分网络(4)、N个椭圆形贴片(6)和N个金属铜柱(5)，上、下两层介质基板分别位于金属地板的上下表面，功分网络印制在下层介质基板的下表面，用以产生涡旋电磁波所需要的幅度和相位，N个椭圆形贴片均匀分布印制在上层介质基板的上表面，每个椭圆形贴片和功分网络通过对应的金属铜柱连接。本发明能在保证天线增益的前提下，产生特定模式的涡旋电磁波，且结构简单，成本低廉，可用于无线通信的接收和发射天线。

Description

用于产生涡旋电磁波的椭圆贴片天线阵列
技术领域
本发明属于天线技术领域，更具体的涉及一种椭圆贴片天线阵列，可用于无线通信的接收和发射天线。
背景技术
随着无线通信技术的飞速发展，人们对于带宽和信息传输速度的要求越来越高，而频谱资源的紧缺，逐渐成为了制约这一发展的关键。为了在有限的频谱资源上传输更多的信息以及提高频谱的利用率，进而达到提高无线通信的信道容量的目的，瑞典的B.Thide等在2007年发现了携带有轨道角动量的涡旋电磁波的阵列天线并成功运用在了无线通信领域，经过研究表明，涡旋电磁波可以使电磁波在同一频率下以不同的轨道角动量编码，从而使得无线通信的容量得到提升。
就目前而言，能够产生涡旋电磁波的阵列天线方式主要有两种，一种是通过移相器、衰减器这些有源器件与独立的天线单元相连接，这种方式可以自由控制每一个单元的幅度和相位，但是成本高，而且系统复杂。另一种是将无源功分网络与阵元相连，这种方式不能任意改变各个天线单元的幅度和相位，但是加工简单，剖面低，成本低，而且容易集成到通信设备中。例如申请号为201610853850.5专利公开了一种用于产生OAM波的环形缝隙天线，该天线采用环形天线和含有100欧姆阻值的Wilkinson功率分配器产生模式l＝2的涡旋电磁波，但其缺陷在于采用的Wilkinson功率分配器的结构复杂，不容易设计。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出了一种用于产生涡旋电磁波的椭圆贴片天线阵列，以在保证天线增益的前提下，减化结构，降低成本。
为实现本发明的目的，本发明的技术方案如下：
一种用于产生涡旋电磁波的椭圆贴片天线阵列，包括介质基板、金属地板、功分网络、N个辐射单元和N个金属铜柱，每个辐射单元和功分网络通过对应的金属铜柱连接(N≥4)，其特征在于：
所述介质基板，设为上、下两层，即上层介质基板和下层介质基板，分别位于金属地板的上下表面；
所述功分网络，采用圆弧状移相的N等分功分网络，印制在下层介质基板的下表面，用以产生涡旋电磁波所需要的幅度和相位；
每个辐射单元，采用椭圆形贴片，并按照阵元间距D＝1.1λg均匀分布印制在上层介质基板的上表面，λg是电磁波在介质中的波长。
进一步，圆弧状移相的N等分功分网络，包含一个50欧姆的总馈电端口、一个圆弧状一分为N的串馈等幅移相功分器和N条阻抗变换微带支路，这N条阻抗变换微带支路彼此之间的夹角为90度。
进一步，N条阻抗变换微带支路与N个椭圆形贴片通过N个金属铜柱对应相连，用来产生N路功率幅度相等且相邻端口之间相位差为2πl/N的激励电流，其中,l为需要产生的涡旋电磁波的模式。
进一步，50欧姆的总馈电端口与外部同轴电缆连接，以产生模式为l＝-1的涡旋电磁波。
进一步，所述每个椭圆形贴片的长轴为1.01λg，轴比为1.13；每个椭圆形贴片的馈电点设置在距离该椭圆形贴片中心(0.11λg,0.26λg)的位置处。
进一步，所述上、下层介质基板及金属地板均设置有N个直径比金属铜柱直径大的相同通孔；每个金属铜柱穿过该通孔，两端分别与椭圆形贴片的馈电点和圆弧状移相的N等分功分网络连接。
进一步，所述椭圆形贴片采用铜箔材料。
进一步，所述上层介质基板采用聚四氟乙烯玻璃纤维材料，下层介质基板采用玻璃纤维环氧树脂材料。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1.本发明与现有用于产生涡旋电磁波的复杂功分网络相比，圆弧状移相的N等分功分网络结构简单，加工成本低，而且容易集成；
2.本发明与常见的圆形或者方形贴片相比，椭圆形贴片更容易产生涡旋电磁波，而且相同尺寸的椭圆形贴片的增益高；
3.本发明与缝隙耦合相比，使用金属铜柱可以避免多余的能量损耗，保障天线良好的辐射性能；
4.本发明采用位于金属地板上下表面的双层介质基板结构，使得金属地板可作为椭圆形贴片和圆弧状移相的N等分功分网络的公共地板，这种结构不仅增强椭圆形贴片的辐射性能，改善其方向性，而且减少了圆弧状移相的N等分功分网络与N个椭圆形贴片之间的互偶效应，避免了相位和幅度发生偏差，从而保证产生良好的涡旋电磁波。
附图说明
图1是本发明的整体结构图；
图2是图1的俯视图；
图3是本发明中的圆弧状移相四等分功分网络结构图；
图4是仿真本发明在某一观察平面上的相位分布图；
图5是仿真本发明的远场方向图；
图6是仿真本发明的回波损耗图。
具体实施方式
为了更加详细地说明本发明的特点，结合附图及实际样例，对本发明进一步阐述。此处，实际样例是为了解释本发明的效果，但不仅适用于本发明。另外，下文所述的各个实施方案之间，不违反逻辑以及实际的，均可以相互组合，不仅仅限于本文表述。
参照图1和图2，本发明用于产生涡旋电磁波的椭圆贴片天线阵列，包括
包括上层介质基板1、下层介质基板2、金属地板3、圆弧状移相的N等分功分网络4、N个辐射单元和N个金属铜柱，每个辐射单元6和圆弧状移相的N等分功分网络4通过对应的金属铜柱5连接，N≥4，本实施例中取N＝4。
四个椭圆形贴片6设置在上层介质基板1的上表面，金属地板3设置在上层介质基板1以及下层介质基板2中间，圆弧状移相的四等分功分网络4设置在下层介质基板2的下表面。
本实例中，每个椭圆形贴片的长轴为1.01λg，轴比为1.13，每个椭圆形贴片的馈电点设置在距离该椭圆形贴片中心(0.11λg,0.26λg)的位置处，四个椭圆形贴片按照等间距D排布在上层介质基板1的上表面，D的大小根据上层介质基板1的面积确定，本实例取D＝1.1λg，λg是电磁波在介质中的波长。上层介质基板1采用厚度为0.787mm，介电常数为εr1＝2.2的聚四氟乙烯玻璃纤维材料。下层介质基板2采用厚度为1.6mm，介电常数为εr2＝4.4的玻璃纤维环氧树脂材料，该上、下层介质基板均为边长为1.58λg的正方形的介质板。金属地板3的大小与上、下介质基板相同。该上、下层介质基板以及金属地板3中均设置有四个直径相同的金属通孔，通孔之间的间隔为D＝1.1λg，通孔的直径要大于每个金属铜柱5的直径，以避免金属铜柱5与金属地板3相接触，本实例经过CST优化设定通孔的直径为3mm。
四个直径相同的金属铜柱5的高度相同，本实例取2.387mm，这四个金属铜柱穿过四个对应的通孔，分别与四个椭圆形贴片6的馈电点以及圆弧状移相的四等分功分网络相连，金属地板3、圆弧状移相的四等分功分网络4以及四个椭圆形贴片6的材料厚度均为0.035mm，四个椭圆形贴片6表面镀银以防止氧化，增强导电性。
参照图3，所述圆弧状移相的四等分功分网络4，采用表面光滑的铜箔材质，设置在下层介质基板2的下表面，其与设置在下层介质基板2上表面的金属地板3共同构成微带电路。该圆弧状移相的四等分功分网络4该包含一个50欧姆的总馈电端口、一个圆弧状一分为四的串馈等幅移相功分器和四条阻抗变换微带支路。四条彼此之间的夹角为90度的阻抗变换微带支路与四个工作频率为2.5GHz的椭圆形贴片6分别通过四个金属铜柱5对应相连，用来产生四路功率幅度相等且相邻端口之间相位差为2πl/N的激励电流，其中N为端口数量，l为需要产生的涡旋电磁波的模式。这四路功率幅度相等且相邻端口之间相位差固定的激励电流分别传输到对应的四个椭圆形贴片6。在外部使用同轴电缆对50欧姆的总馈电端口馈电，以产生模式为l＝-1的涡旋电磁波。
本发明的效果可通过以下仿真结果进一步说明：
仿真1,仿真本发明实施例产生涡旋电磁波，观察距离天线高度为623.8mm处的平面上的相位分布图，结果如图4。图4表明，本发明实施例能产生模式为l＝-1的涡旋电磁波。
仿真2，仿真本发明实施例的远场方向图，结果如图5。从图5可以看出，本发明的远场最高增益为10.2dBi，具有良好的辐射性能。
仿真3，仿真本发明实施例的回波损耗(S11)，结果如图6。从图6可以看出，本发明在2.5GHz处S11≤-19dB，具有良好的阻抗匹配性能。
需要注意的是，本发明中指出的椭圆形贴片以及圆弧状移相的四等分功分网络并不仅仅限定实施例所给数量，其他数量的椭圆形贴片以及圆弧状移相的N等分功分网络同样可以实现涡旋电磁波的产生，在此特别指出，凡是与此形状相同的功分网络以及两个及两个以上的椭圆形贴片与圆弧状移相的N等分功分网络组成的天线阵列皆属于本发明的保护范围。同时需要说明的是：以上实例中的数据仅仅针对的是较优的参数值下的良好的天线性能，其他参数或许可以实现更好地辐射性能以及涡旋电磁波，但是本发明所保护的是这种结构组合而成的椭圆贴片天线阵列，因此凡是在本发明的技术范围之内所做的任何修改，均应该包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于产生涡旋电磁波的椭圆贴片天线阵列，包括介质基板、金属地板(3)、功分网络(4)、N个辐射单元和N个金属铜柱，每个辐射单元(6)和功分网络(4)通过对应的金属铜柱(5)连接，N≥4，其特征在于：
所述介质基板，设为上、下两层，即上层介质基板(1)和下层介质基板(2)，分别位于金属地板(3)的上下表面；
所述功分网络(4)，采用圆弧状移相的N等分功分网络，印制在下层介质基板(2)的下表面，用以产生涡旋电磁波所需要的幅度和相位；
每个辐射单元(6)，采用椭圆形贴片，并按照阵元间距D＝1.1λg均匀分布印制在上层介质基板(1)的上表面，λg是电磁波在介质中的波长。
2.如权利要求1所述的阵列，其特征在于：圆弧状移相的N等分功分网络(4)，包含一个50欧姆的总馈电端口、一个圆弧状一分为N的串馈等幅移相功分器和N条阻抗变换微带支路，这N条阻抗变换微带支路彼此之间的夹角为90度。
3.如权利要求2所述的阵列，其特征在于：N条阻抗变换微带支路与N个椭圆形贴片(6)通过N个金属铜柱(5)对应相连，用来产生N路功率幅度相等且相邻端口之间相位差为2πl/N的激励电流，其中,l为需要产生的涡旋电磁波的模式。
4.如权利要求2所述的阵列，其特征在于：50欧姆的总馈电端口与外部同轴电缆连接，以产生模式为l＝-1的涡旋电磁波。
5.如权利要求2所述的阵列，其特征在于：每个椭圆形贴片(6)的长轴为1.01λg，轴比为1.13；每个椭圆形贴片的馈电点设置在距离该椭圆形贴片中心(0.11λg,0.26λg)的位置处。
6.如权利要求1中所述的阵列，其特征在于：上、下层介质基板(1，2)及金属地板(3)均设置有N个直径比金属铜柱(5)直径大的相同通孔；每个金属铜柱(5)穿过该通孔，两端分别与椭圆形贴片(6)的馈电点和圆弧状移相的N等分功分网络(4)连接。
7.如权利要求1中所述的阵列，其特征在于：椭圆形贴片(6)采用铜箔材料。
8.如权利要求1中所述的阵列，其特征在于：上层介质基板(1)采用聚四氟乙烯玻璃纤维材料，下层介质基板(2)采用玻璃纤维环氧树脂材料。
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