CN110165407A - 一种tm环形谐振腔和旋转抛物面的多模平面螺旋oam天线 - Google Patents

一种tm环形谐振腔和旋转抛物面的多模平面螺旋oam天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种TM环形谐振腔和旋转抛物面的多模平面螺旋OAM天线，属于属于通信、雷达探测领域，该天线包括4个TM环形谐振腔、固定支柱和旋转抛物面反射器；所述TM环形谐振腔上表面中心处设有与固定支柱配合的凹槽，所述旋转抛物面反射器位于固定支柱的上方；所述旋转抛物面反射器半径为Rr＝75mm，所述旋转抛物面反射器XOZ平面内满足的抛物线方程

Description

一种TM环形谐振腔和旋转抛物面的多模平面螺旋OAM天线
技术领域
本发明属于通信、雷达探测领域，尤其涉及一种一种TM环形谐振腔和旋转抛物面的多模平面螺旋OAM天线。
背景技术
随着第五代通信技术的开展，为了解决毫米波高损耗的特性，波束赋形技术在5G时代起到至关重要的作用。波束赋形又叫波束成型或波束形成(beamforming)，波束赋形能够将发射能量集中在特定方向上，可以使得某个方向的发射功率增大而其他方向上的发射功率接近于零，从而达到扩展期望方向的通信距离和避免对其它方向造成干扰的目的。在总发射功率相同的条件下，定向传输比全向传输的通信距离更远。传统的波束赋形是通过阵列天线实现的，往往需要诸多相同天线呈一维线性排列实现。研究发现，通过在同一个主瓣角度叠加不同模态的轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)同样可实现波束赋形。然而，不同模态OAM波束的发散角不同，多个OAM态的波束无法在同一位置进行叠加，这些问题极大地限制了射频OAM在波束赋形中的应用。因此，平面螺旋OAM电磁波(或称PSOAM电磁波)被提出，通过将三维锥形OAM波束压缩到二维平面，不同OAM模态的波束发散角一致，在同一平面内传播，从而实现波束赋形和波束扫描。平面螺旋PSOAM的提出为射频OAM的波束赋形提供了新的途径。
OAM是电磁波尚未被有效利用的基本特性，可为电磁波的调制、复用等提供新的物理参数维度。但是，传统OAM中心存在相位奇点，由于波束的发散特性，随着传播距离的增大，中间的暗区将不断变大，不利于远距离通信和应用。基于平面螺旋OAM叠加的波束继承传统OAM波束的涡旋特性和正交性，可以有效改善OAM存在的问题。该波束也可以应用于测量物体的角向速度及其他电磁感知应用。
因此设计多模平面螺旋OAM天线对于雷达、通信等领域都具有至关重要的意义。然而，目前各高校、研究机构主要工作仍停留在使用环形行波天线、定向阵列天线、介质同轴谐振腔天线和WGM模谐振腔天线等方式产生单模态OAM或平面螺旋OAM。多模平面螺旋OAM叠加波束天线的缺失限制了OAM的应用。
发明内容
本发明的目的在于针对现有设计空缺，提出一种TM环形谐振腔和旋转抛物面的多模平面螺旋OAM天线，实现了八个模态叠加的赋形波束以及360°全向线性扫描。理论上该发明可推广到更多模态的叠加，实现其在通信、雷达等电磁领域中的应用。对幅相可控的结构化电磁波的具有推动作用。
本发明解决技术问题所采取技术方案为：一种TM环形谐振腔和旋转抛物面的多模平面螺旋OAM天线，包括4个TM环形谐振腔、固定支柱和旋转抛物面反射器；所述TM环形谐振腔上表面中心处设有与固定支柱配合的凹槽，所述旋转抛物面反射器位于固定支柱的上方；所述TM环形谐振腔轴半径分别为：其中，1,2,3,4表示模态l，λg等效波导波长；所述固定支柱为圆柱形，其半径为5mm；所述旋转抛物面反射器半径为Rr＝75mm，所述旋转抛物面反射器在XOZ平面内满足的抛物线方程其中p为两倍焦距且p＝20。
进一步地，TM环形谐振腔优选为：R1＝9mm,R2＝18mm,R3＝27mm,R4＝36mm。
进一步地，TM环形谐振腔1为全金属结构的空心圆柱体。顶部设有宽度为1mm的辐射缝隙结构。
进一步地，当模态l小于3时，在满足同轴线与天线阻抗匹配条件的圆周上，接入两条同轴线的探针作为底馈激励谐振腔，其中，在第一同轴线圆心角为0°、第一同轴线与第二同轴线圆心角为φ；当模态l大于3时，在满足同轴线与天线阻抗匹配条件的圆周上，接入4条同轴线的探针作为底馈激励谐振腔，其中，在第一同轴线圆心角为0°、第一同轴线与第二同轴线圆心角为φ、第一同轴线与第三同轴线的圆心角为180°、第一同轴线与第四同轴线的圆心角为180°+φ，馈电之间的夹角φ满足φ＝(2k+1)π/2l,k＝0,1,2,...,l-1，馈电之间的相位相差为±90°。
进一步地，所述TM环形谐振腔1的外壁开设小孔，插入半径为0.5mm金属柱，金属柱与插入同轴线的探针相接触。
进一步地，所述旋转抛物面反射器3为金属材质，所述抛物线方程绕Z轴旋转360度构成旋转抛物面反射器。
本发明与背景技术相比具有的有益效果是：对于OAM天线，环形谐振腔天线相对于其他设计方案而言具有高纯度、设计简便、无需馈电网络等优势。而本发明首次实现了8模态平面螺旋OAM的高纯度叠加、波束赋形和360°全向扫描。理论上该发明可推广到更多模态叠加，实现OAM在通信、雷达等方向的应用。通过旋转抛物面反射器对每个波束的主瓣方向的控制均在朝向水平方向正负3°的误差范围内，将三维锥形OAM波束压缩到二维平面产生PSOAM波束，使波束相位奇点在天线位置，实现了不同模态平面螺旋OAM波束进行多模态的叠加，实现波束赋形，同时通过控制不同模态的相位可以实现360度全向扫描。本发明首次实现了八个模态的平面螺旋OAM波束高纯度叠加、线性扫描，理论上该发明可推广到更高、更多模态叠加。
附图说明
图1本发明TM环形谐振腔和旋转抛物面的多模平面螺旋OAM天线结构图；
其中，1-TM环形谐振腔，2-固定圆柱，3-旋转抛物面反射器。
图2是本发明TM环形谐振腔和旋转抛物面的多模平面螺旋OAM天线TM谐振腔XOZ平面剖面图；
图3是本发明TM环形谐振腔和旋转抛物面的多模平面螺旋OAM天线TM谐振腔XOY平面剖面图；
图4是本发明TM环形谐振腔和旋转抛物面的多模平面螺旋OAM天线八模态叠加的远场三维方向图；
图5是本发明TM环形谐振腔和旋转抛物面的多模平面螺旋OAM天线八模态叠加的模式纯度柱状图；
图6是本发明TM环形谐振腔和旋转抛物面的多模平面螺旋OAM天线不同模数叠加的二维远场波束赋形方向图；
图7是本发明TM环形谐振腔和旋转抛物面的多模平面螺旋OAM天线八模态叠加的360°扫描二维方向图。
具体实施方式
就制造工艺而言，本领域技术人员可利用切削工艺和3D打印技术制备一种TM环形谐振腔和旋转抛物面的OAM天线。该多模平面螺旋OAM天线包括4个TM环形谐振腔1、固定支柱2和旋转抛物面反射器3；所述TM环形谐振腔1上表面中心处设有与固定支柱2配合的凹槽，所述旋转抛物面反射器3位于固定支柱2的上方；所述TM环形谐振腔轴半径分别为：其中，1,2,3,4表示模态l，λg等效波导波长。优选地，Rl从内到外依次为：R1＝9mm,R2＝18mm,R3＝27mm,R4＝36mm；TM环形谐振腔1为全金属结构的空心圆柱体。顶部设有宽度为1mm的辐射缝隙结构。通过确定TM环形谐振器的深度决定了腔体的截止波长，在特定频率下，工作波长和截至波长可计算等效波导波长λg，将l＝1、2、3、4带入得到每个模态腔的轴半径Rl。将模态l的TM环形谐振腔的一组馈电使用电桥连接可以得到±l模态OAM波束。此时四个TM模环形谐振腔可产生模态为l＝±1、±2、±3、±4八个模态的OAM波束。
当模态l小于3时，在满足同轴线与天线阻抗匹配条件的圆周上，接入两条同轴线的探针作为底馈激励谐振腔，其中，在第一同轴线圆心角为0°、第一同轴线与第二同轴线圆心角为φ；当模态l大于3时，在满足同轴线与天线阻抗匹配条件的圆周上，接入4条同轴线的探针作为底馈激励谐振腔，其中，在第一同轴线圆心角为0°、第一同轴线与第二同轴线圆心角为φ、第一同轴线与第三同轴线的圆心角为180°、第一同轴线与第四同轴线的圆心角为180°+φ，馈电之间的夹角φ满足φ＝(2k+1)π/2l,k＝0,1,2,...,l-1，馈电之间的相位相差为±90°。TM环形谐振腔为窄边馈电，因此需要在同轴线的探针与宽边之间增加半径为0.5mm金属柱以产生所需模式谐振。因此本领域技术人员需要在所述TM环形谐振腔1的外壁由下至上高度为10.92mm处开设小孔，插入半径为0.5mm金属柱，金属柱与插入同轴线的探针相接触。
所述固定支柱2为圆柱形，其半径为5mm；所述旋转抛物面反射器3半径为Rr＝75mm，所述旋转抛物面反射器3XOZ平面内满足的抛物线方程其中p为两倍焦距且p＝20。由几何光学原理，经过焦点的光经抛物面反射平行主轴出射。旋转抛物面反射器将焦距设置在模态2、3之间，则从几何光学可分析模态1、2和3、4的主瓣将分别在水平面上下两侧。仿真结果显示由于射频波与可见光的频段区别，其偏离水平面的角度要小于几何光学的理论分析。于是，每个模态波束的主瓣方向的控制均在与水平面可接受的误差范围内，即通过将三维锥形OAM波束压缩到二维平面产生平面螺旋OAM波束，解决了困扰不同模态叠加的发散角不同的难题，实现了八个模态平面螺旋OAM波束叠加，并且叠加后的主瓣位于水平方向。多模态OAM叠加可实现波束赋形，同时通过控制不同模态的相位可以实现360度全向扫描。本发明首次实现了八个模态的平面螺旋OAM波束高纯度叠加、扫描，理论上该发明可推广到更高、更多模态叠加。
所述旋转抛物面反射器(3)为金属材质，所述抛物线方程绕Z轴旋转360度构成旋转抛物面反射器。
下面结合实施例对本发明作进一步阐述，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
实施例
该多模平面螺旋OAM天线分为三个部分，分别为4个TM环形谐振腔1、固定支柱2和旋转抛物面反射器3，如图1、2、3所示，为本发明基于TM环形谐振腔和旋转抛物面的多模平面螺旋OAM天线的结构图，实现10GHz，8模态PSOAM的产生、叠加和扫描。天线由4个中轴半径分别为：R1＝9mm,R2＝18mm,R3＝27mm,R4＝36mm的TM模环形谐振腔，其中4个TM环形谐振腔由内至外分别产生±1、±2、±3、±4模态；5mm的圆柱固定支柱、半径Rr＝90mm旋转抛物面反射器组成。辐射缝隙宽度为1mm。旋转抛物面为XOZ平面内的抛物线方程其中p＝20为两倍焦距，绕Z轴旋转360度形成的闭合金属曲面反射器。图4是所述基于TM环形谐振腔和旋转抛物面的多模平面螺旋OAM天线在电磁仿真软件CST中得到的远场辐射的三维方向图。由图可见，8模态叠加波束狭窄，主瓣方向为横向且在周向位于相位零点，主瓣宽度为43°，增益为11.18dB。图5是所述基于TM环形谐振腔和旋转抛物面的多模平面螺旋OAM天线8模态叠加的模式纯度，可见设计模态纯度高且能量平均，满足波束赋形叠加要求。图6是所述基于TM环形谐振腔和旋转抛物面的多模平面螺旋OAM天线不同数量模态叠加效果，在远场辐射主瓣方向随着模态数增加而变窄，且主瓣能量占比高，体现了该天线波束赋形能力。图7是所述基于TM环形谐振腔和旋转抛物面的多模平面螺旋OAM天线每45°的扫描结果，其中45°与225°误差为1°，其余误差为0°，平均误差为0.25°。本发明实现八个模态叠加、波束赋形以及360°全向扫描。理论上该发明可推广到更多模态叠加，实现OAM在通信、雷达等方向的应用。

Claims (6)

1.一种TM环形谐振腔和旋转抛物面的多模平面螺旋OAM天线，其特征在于：包括4个TM环形谐振腔(1)、固定支柱(2)和旋转抛物面反射器(3)；所述TM环形谐振腔(1)上表面中心处设有与固定支柱(2)配合的凹槽，所述旋转抛物面反射器(3)位于固定支柱(2)的上方；所述TM环形谐振腔(1)轴半径为Rl，所述TM环形谐振腔轴半径分别为：其中，1,2,3,4表示模态l，λg等效波导波长；所述固定支柱(2)为圆柱形，其半径为5mm；所述旋转抛物面反射器(3)半径为Rr＝75mm，所述旋转抛物面反射器(3)在XOZ平面内满足的抛物线方程其中p为两倍焦距且p＝20。
2.如权利要求1所述的多模平面螺旋OAM天线，其特征在于：TM环形谐振腔轴半径优选为：R1＝9mm,R2＝18mm,R3＝27mm,R4＝36mm。
3.如权利要求1所述的多模平面螺旋OAM天线，其特征在于：TM环形谐振腔(1)为全金属结构的空心圆柱体。顶部设有宽度为1mm的辐射缝隙结构。
4.如权利要求3所述的多模平面螺旋OAM天线，其特征在于：当模态l小于3时，在满足同轴线与天线阻抗匹配条件的圆周上，接入两条同轴线的探针作为底馈激励谐振腔，其中，在第一同轴线圆心角为0°、第一同轴线与第二同轴线圆心角为φ；当模态l大于3时，在满足同轴线与天线阻抗匹配条件的圆周上，接入4条同轴线的探针作为底馈激励谐振腔，其中，在第一同轴线圆心角为0°、第一同轴线与第二同轴线圆心角为φ、第一同轴线与第三同轴线的圆心角为180°、第一同轴线与第四同轴线的圆心角为180°+φ，馈电之间的夹角φ满足φ＝(2k+1)π/2l,k＝0,1,2,...,l-1，馈电之间的相位相差为±90°。
5.如权利要求3所述的多模平面螺旋OAM天线，其特征在于：所述TM环形谐振腔(1)的外壁开设小孔，插入半径为0.5mm金属柱，金属柱与插入同轴线的探针相接触。
6.如权利要求1所述的多模平面螺旋OAM天线，其特征在于，所述旋转抛物面反射器(3)为金属材质，所述抛物线方程绕Z轴旋转360度构成旋转抛物面反射器。
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CN112909563A (zh) * 2021-01-19 2021-06-04 浙江大学 一种产生射频平面螺旋轨道角动量模群的扇环谐振腔天线

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