CN110050385A - 一种实现oam模式可重构的双臂螺旋天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种实现OAM模式可重构的双臂螺旋天线,包括接地板和设置在所述接地板上的柱形腔,所述接地板上设有介质基板,所述介质基板上设有馈电网络和双臂螺旋结构,所述双臂螺旋结构的底部与所述馈电网络连接,所述馈电网络连接有同轴馈电,所述双臂螺旋结构的顶部连接有加载圆环,所述介质基板、馈电网络、同轴馈电、双臂螺旋结构均位于所述柱形腔之内。本发明的有益效果是:可以用单一结构产生具有不同轨道角动量的涡旋电磁波。

Description

一种实现OAM模式可重构的双臂螺旋天线
技术领域
本发明涉及天线,尤其涉及一种实现OAM模式可重构的双臂螺旋天线。
背景技术
电磁辐射可以同时携带线动量和角动量,角动量有两种:自旋角动量(SAM)和轨道角动量(OAM),而OAM是于1992年被Allen等人发现,并在发布于《Physical Review AAtomic Molecular》45期11刊上的“Orbital angular momentum of light andtransformation of Laguerre Gaussian Laser modes”一文中指出理论上OAM具有无限多个状态,且相互正交,因此,轨道角动量可以作为继时间、空间、码型、频率之后又一个新的复用维度,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,因此在射频段产生具有不同轨道角动量的涡旋电磁波成为构建OAM复用系统的关键。
2007年发表于《Physical Review Letters》99期第八刊上的“Utilization ofphoton orbital angular momentumin 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,但是阵列天线体积庞大,馈电结构复杂且单元的损耗较高,并且只可以生成单一模式的涡旋电磁波;2016年发表于《Iet MicrowavesAntennas&Propagation》10期13刊上的“Horn antennas for generating radio wavesbearing orbital angular momentum by using spiral phase plate”一文采用在喇叭结构里面嵌入一个螺旋相位板来生成具有轨道角动量的涡旋电磁波,通过调节螺旋相位板上升的高度来实现具有不同轨道角动量涡旋电磁波的产生,但是该种操作较为繁琐,且螺旋相位板不易制作,很难实现其表面可以保持光滑上升。因此对于OAM通信系统的复用来说,如果能找到一种可以用单一结构产生具有不同轨道角动量的涡旋电磁波将具有非常重要的意义。
发明内容
为了解决现有技术中的问题,本发明提供了一种实现OAM模式可重构的双臂螺旋天线,可以用单一结构产生具有不同轨道角动量的涡旋电磁波。
本发明提供了一种实现OAM模式可重构的双臂螺旋天线,包括接地板和设置在所述接地板上的柱形腔,所述接地板上设有介质基板,所述介质基板上设有馈电网络和双臂螺旋结构,所述双臂螺旋结构的底部与所述馈电网络连接,所述馈电网络连接有同轴馈电,所述双臂螺旋结构的顶部连接有加载圆环,所述介质基板、馈电网络、同轴馈电、双臂螺旋结构均位于所述柱形腔之内。
作为本发明的进一步改进,所述柱形腔的半径等于所述介质基板的半径,所述柱形腔的高度h1为0.412λ0,λ0为自由空间波长:是光速与天线工作频率的比值。
作为本发明的进一步改进,所述加载圆环的外径r2为0.2835λ0,内径r1为0.103λ0
作为本发明的进一步改进,所述双臂螺旋结构呈顺时针上升。
作为本发明的进一步改进,所述馈电网络刻蚀在所述介质基板的上部。
作为本发明的进一步改进,所述馈电网络包括T形微带线和位于所述T形微带线的横线两端的弧形微带线,两个所述弧形微带线分别与所述双臂螺旋结构连接,所述T形微带线的竖线与所述同轴馈电连接。
作为本发明的进一步改进,所述T形微带线的竖线为第一微带线,所述T形微带线的横线分别由第二微带线、第四微带线、第三微带线、第五微带线呈直线首尾对接而成,所述第四微带线、第三微带线相对称设置,所述第二微带线、第五微带线相对称设置。
作为本发明的进一步改进,两个所述弧形微带线分别为第六微带线和第七微带线,所述第六微带线和第七微带线相对称设置。
作为本发明的进一步改进,所述馈电网络为一分二功分器实现等幅反相的馈电网络。
作为本发明的进一步改进,所述加载圆环为圆环铜片,所述圆环铜片位于距离所述双臂螺旋结构的顶点的0.5mm处。
本发明的有益效果是:可以用单一结构产生具有不同轨道角动量的涡旋电磁波。
附图说明
图1是本发明一种实现OAM模式可重构的双臂螺旋天线的结构图。
图2是本发明一种实现OAM模式可重构的双臂螺旋天线中馈电网络的结构图。
图3是本发明一种实现OAM模式可重构的双臂螺旋天线的反射系数仿真图。
图4是不同频点对应的E面辐射方向图。
图5是本发明一种实现OAM模式可重构的双臂螺旋天线产生拓扑荷数l=0的相位变化结果仿真。
图6是本发明一种实现OAM模式可重构的双臂螺旋天线产生拓扑荷数l=1的相位变化结果仿真。
图7是本发明一种实现OAM模式可重构的双臂螺旋天线产生拓扑荷数l=2的相位变化结果仿真。
图8是本发明一种实现OAM模式可重构的双臂螺旋天线的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1至图8所示,一种实现OAM模式可重构的双臂螺旋天线,包括接地板1,50Ω的同轴馈电2,介质基板3,位于介质基板3上面的馈电网络4以及顺时针上升的双臂螺旋结构5,馈电网络4分别与同轴馈电2、双臂螺旋结构5连接,在距离双臂螺旋结构5的顶点0.5mm处有一个加载圆环6,用于降低螺旋结构的高度,加载圆环6可以吸收双臂螺旋结构5末端的反射波,保证在降低双臂螺旋结构5的高度的同时,双臂螺旋结构5上仍具有行波电流,在双臂螺旋结构5的外部有一个柱形腔7,用于减小背部辐射。接地板的半径r4为0.515λ0,介质基板3的材料为FR4,馈电网络4刻蚀在介质基板3上部,详细的馈电网络4结构如图2所示,所述馈电网络4包括T形微带线和位于所述T形微带线的横线两端的弧形微带线,两个所述弧形微带线分别与所述双臂螺旋结构连接,所述T形微带线的竖线与所述同轴馈电连接,所述T形微带线的竖线为第一微带线w1,所述T形微带线的横线分别由第二微带线w2、第四微带线w4、第三微带线w3、第五微带线w5呈直线首尾对接而成,所述第四微带线w4、第三微带线w3相对称设置,所述第二微带线w2、第五微带线w5相对称设置,两个所述弧形微带线分别为第六微带线w6和第七微带线w7,所述第六微带线w6和第七微带线w7相对称设置,其中第一微带线w1,第二微带线w2和第五微带线w5的宽度W10为0.029λ0,该宽度对应着50Ω阻抗值,第一微带线w1连接同轴馈电2,然后左右两侧一分为二为第三微带线w3和第四微带线w4,宽度W20为0.013λ0,该宽度对应着70.7Ω的阻抗值,总长度L2为0.5λ0,左右两侧各0.25λ0,起到阻抗变换的作用,然后分别连接长度L3为0.147λ0的第五微带线w5和长度L1为0.236λ0的第二微带线w2,最终两端口通过部分环形的第六微带线w6和部分环形的第七微带线w7分别与双臂螺旋结构5的两臂连接,第六微带线w6和第七微带线w7内径r6为0.273λ0,外径r5为0.325λ0,该馈电网络4可以输出幅度相同、相位相反的电流,作为双臂螺旋结构5的输入。两对称放置的螺旋臂顺时针上升的圈数n为1,上升一圈所抬升的高度h2为0.142λ0,在此基础上,本发明在双臂螺旋结构5的距离螺旋臂终端0.5mm处加载了一个加载圆环6,加载圆环6优选为圆环贴片或者圆环铜片,在降低双臂螺旋结构5高度的同时,仍保证其臂上为行波电流分布,加载圆环6的外径r2为0.2835λ0、内径r1为0.103λ0,最后,为了减小本发明天线的背部辐射,在本发明结构的外部添加了一个与接地板1半径相同,底部与接地板1相连接的柱形腔7,该柱形腔7的高度h1为0.412λ0
步骤2:在仿真软件HFSS(High Frequency Structure Simulator)中进行建模仿真,仿真的反射系数图如图3所示,从图3可以看出本发明天线工作在多个频点0.76GHz,1.55GHz,2.28GHz,2.42GHz和2.95GHz等,在这几个谐振频点反射系数均小于-10dB,从而可以保证比较好的辐射效果。通过上述数据可以计算出螺旋天线的周长为361.1mm,当天线工作在0.76GHz的时候,其波长约为394mm,大于螺旋天线的波长,沿着螺旋臂行走的电流可以近似看成是不变的,并且该螺旋耦合到圆环贴片上的电场为TM11模式,工作在TMnm模式圆环贴片可以产生拓扑荷数l=n-1阶的涡旋电磁波,因此工作在0.76GHz的天线可以产生拓扑荷数l=0的涡旋电磁波。图4为本发明天线在不同频点下对应的E面辐射方向图,图4中的点虚线可以看出当天线工作在0.76GHz的时候最大辐射方向为z轴方向,且最大增益为4dB,在其他方向增益逐渐降低。图5所示为在该频点天线所辐射出的电场的y分量的相位,在theta(相位角)从0到360度变化范围内,相位几乎可以保持在138度左右,符合拓扑荷数l=0的涡旋电磁波的相位特点。当天线工作在1.55GHz的时候,其对应的波长为194mm,约为螺旋周长的一半,此时耦合到圆环贴片上的电场为TM21模式,因此工作在1.55GHz的天线可以产生拓扑荷数l=1的涡旋电磁波,图4中的长虚线可以看出天线的辐射在z轴方向存在最小值,随着theta的增加增益开始增加,最大增益出现在theta=28deg和theta=-28deg附近,theta再增加增益开始出现下降趋势,最大增益为2.7dB,即在辐射中心存在强度零点;图6所示为在该频点天线所辐射出的电场的y分量的相位,在theta从0到360度变化范围内,相位变化了2π,符合拓扑荷数l=1的涡旋电磁波的相位特点。当天线工作在2.95GHz的时候,其对应的波长为101mm,约为螺旋周长的三分之一,此时耦合到圆环贴片上的电场为TM31模式,因此工作在2.95GHz的天线可以产生拓扑荷数l=2的涡旋电磁波,图4中的实线可以看出天线的辐射在z轴方向存在最小值,随着theta的增加增益开始增加,最大增益出现在theta=33deg和theta=-33deg附近,theta再增加增益开始出现下降趋势,最大增益为4.2dB,即在辐射中心存在强度零点;图7所示为在该频点天线所辐射出的电场的y分量的相位,在theta从0到360度变化范围内,相位变化了4π,符合拓扑荷数l=2的涡旋电磁波的相位特点。图4的双点虚线和短虚线分别代表工作在2.28GHz和2.42GHz时的E面辐射方向图,在z轴方向均存在增益零点。这两频点表示拓扑荷数从l=1向l=2过渡。
本发明提供的一种实现OAM模式可重构的双臂螺旋天线,与现有的产生具有轨道角动量涡旋电磁波的天线相比,本发明利用单个双臂螺旋天线可以产生具有不同OAM模式的涡旋电磁波,其中不同模式的涡旋电磁波工作在不同的频点,同时还设计了一个馈电网络,仅需一个馈电端口就可以对两个螺旋臂实现等幅反相的输入,方便操作,实用简单。
本发明提供的一种实现OAM模式可重构的双臂螺旋天线,通过单一结构可在不同的频点生成具有不同轨道角动量的涡旋电磁波,以克服一种结构只能产生单一模式的具有轨道角动量的涡旋电磁波的缺陷,同时本发明天线采用馈电网络,以此来克服馈电结构复杂的缺点以及降低成本。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干简单推演或替换,都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种实现OAM模式可重构的双臂螺旋天线,其特征在于:包括接地板和设置在所述接地板上的柱形腔,所述接地板上设有介质基板,所述介质基板上设有馈电网络和双臂螺旋结构,所述双臂螺旋结构的底部与所述馈电网络连接,所述馈电网络连接有同轴馈电,所述双臂螺旋结构的顶部连接有加载圆环,所述介质基板、馈电网络、同轴馈电、双臂螺旋结构均位于所述柱形腔之内。
2.根据权利要求1所述的实现OAM模式可重构的双臂螺旋天线,其特征在于:所述柱形腔的半径等于所述介质基板的半径,所述柱形腔的高度h1为0.412λ0,λ0为自由空间波长:是光速与天线工作频率的比值。
3.根据权利要求2所述的实现OAM模式可重构的双臂螺旋天线,其特征在于:所述加载圆环的外径r2为0.2835λ0,内径r1为0.103λ0
4.根据权利要求1所述的实现OAM模式可重构的双臂螺旋天线,其特征在于:所述双臂螺旋结构呈顺时针上升。
5.根据权利要求1所述的实现OAM模式可重构的双臂螺旋天线,其特征在于:所述馈电网络刻蚀在所述介质基板的上部。
6.根据权利要求1所述的实现OAM模式可重构的双臂螺旋天线,其特征在于:所述馈电网络包括T形微带线和位于所述T形微带线的横线两端的弧形微带线,两个所述弧形微带线分别与所述双臂螺旋结构连接,所述T形微带线的竖线与所述同轴馈电连接。
7.根据权利要求6所述的实现OAM模式可重构的双臂螺旋天线,其特征在于:所述T形微带线的竖线为第一微带线,所述T形微带线的横线分别由第二微带线、第四微带线、第三微带线、第五微带线呈直线首尾对接而成,所述第四微带线、第三微带线相对称设置,所述第二微带线、第五微带线相对称设置。
8.根据权利要求7所述的实现OAM模式可重构的双臂螺旋天线,其特征在于:两个所述弧形微带线分别为第六微带线和第七微带线,所述第六微带线和第七微带线相对称设置。
9.根据权利要求1所述的实现OAM模式可重构的双臂螺旋天线,其特征在于:所述馈电网络为一分二功分器实现等幅反相的馈电网络。
10.根据权利要求1所述的实现OAM模式可重构的双臂螺旋天线,其特征在于:所述加载圆环为圆环铜片,所述圆环铜片位于距离所述双臂螺旋结构的顶点的0.5mm处。
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