CN110299609B - 一种实现多oam模式产生的嵌套双臂平面螺旋天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种实现多OAM模式产生的嵌套双臂平面螺旋天线，所述的天线结构分为三层，第一层为微带螺旋结构，第二层为金属反射板，第三层为该天线的馈电网络部分，馈电网络的输出端口穿过金属反射板与第一层的微带螺旋相连接；所述的微带螺旋结构包括顶层介质板、印制在顶层介质板顶部的三个双臂螺旋线、印制在顶层介质板底部的金属圆盘和金属圆环；所述的馈电网络包括顶部的金属地、底部的三个一分二的功分器；三个功分器的输出端口分别对应三个双臂螺旋线；其中，第一层的顶部的双臂螺旋线通过同轴线的内导体与第三层的底部的功分器相连接，第一层底部的金属圆盘通过同轴线的外导体穿过金属反射板，与第三层的顶部的金属地相连接。

Description

一种实现多OAM模式产生的嵌套双臂平面螺旋天线
技术领域
本发明涉及射频天线技术领域，具体涉及一种实现多OAM模式产生的嵌套双臂平面螺旋天线。
背景技术
电磁辐射可以同时携带线动量和角动量，其中，角动量分为两种：自旋角动量(Spin Angular Momentum,SAM)和轨道角动量(Orbital Angular Momentum,即OAM)。1992年，荷兰物理学家Allen等人首次分析了涡旋光束的轨道角动量特性，并在发布于《Physical Review A Atomic Molecular》45卷11期上的“Orbital angular momentum oflight and transformation of Laguerre Gaussian Laser modes”一文中指出理论上OAM具有无限多个状态，且不同的OAM态之间相互正交，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。这种特殊的光场结构引起了学术界极大的重视，并为之后的光涡旋场的应用研究奠定了理论基础。
2007年发表于《Physical Review Letters》99卷第8期上的“Utilization ofphoton orbital angular momentum in the low-frequency radio domain”一文中首次指出了可采用相控阵天线来产生涡旋电磁波，此次实验也是将射频天线与轨道角动量一次紧密连接，自此揭开了关于通过天线来产生携带轨道角动量的涡旋电磁波的相关课题研究的序幕。但是用于产生涡旋电磁波的阵列天线体积通常庞大，馈电结构复杂，且单元的损耗较高。2011年，Tamburini等人首次在射频域成功实现了基于两个不同模式的轨道角动量的信道编码以及无线通信的实验，并发表在《New Journal of Physics》14卷第3期上的“Encoding many channels on the same frequency through radio vorticity:firstexperimental test”，该实验采取发射涡旋电磁波的天线为抛物面反射天线结构，此结构的增益高、定向性好，但是体积非常笨重，且一种结构只能产生一种OAM态。2014年，发表于《Progress In Electromagnetics Research》148卷上“Circular polarized patchantenna generating orbital angular momentum”提出使用单一圆极化圆形贴片天线生成OAM波束的方法，通过合理地选择馈电探针位置及相位，激发两种具有相移的正交TMnm模式，来产生±(n-1)阶拓扑荷的涡旋电磁波。2016年，西安电子科技大学大学的天线与微波技术国家重点实验室团队提出一种反射超表面阵列，可在射频域产生涡旋电磁波，并在《Applied Physics Letters》第108卷12期上发表“Design,fabrication,and measurementof reflective metasurface for orbital angular momentum vortex wave in radiofrequency domain”，该文中采取的OAM发生器包括馈源天线、超表面、金属地，馈源采用喇叭天线，馈源天线产生的球面波照射到超表面阵列上，考虑到入射的电磁波到每个单元的相位、各阵列单元所在平面的方位角、以及需要产生相应OAM态的阵列各个位置处所需的相位值，从而计算出阵列中每个单元需要提供的相位补偿，由于在谐振频率处单元尺寸与反射相位具有一定的响应关系，通过这种响应关系，计算出阵列中每个位置所对应的单元尺寸。这种超表面阵列的优势在于不需要复杂的馈电网络，但是其馈源为单独的电磁波发生结构，且与阵列保持一定距离，这大大增加了OAM发生器的剖面高度。2016年发表于《IetMicrowaves Antennas and Propagation》10卷13期上的“Horn antennas for generatingradio waves bearing 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。2018年，Ren等人提出采用一个半球形的介质谐振腔来生成OAM，其中介质谐振器由两个正交的信号进行馈电，激发出高阶模式，馈电是由混合耦合器完成，分别通过对两个端口进行馈电，产生两种OAM态，并将该成果发表于《Applied Physics Letters》112卷13期上的“Generation of microwave orbital angular momentum states using hemisphericaldielectric resonator antenna”，但是该天线结构在单一频率产生的OAM态只能是两种，且OAM态的正负主要受到馈电电桥的控制，也即产生的OAM模式数是有限的。
发明内容
本发明的目的是提供一种实现多OAM模式产生的嵌套双臂平面螺旋天线，通过单一结构可在一个频点产生携带不同轨道角动量模式的涡旋电磁波，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简单，克服了馈电结构复杂的缺点，以及达到降低成本的目的。
本发明的技术方案：一种实现多OAM模式产生的嵌套双臂平面螺旋天线，所述的天线结构分为三层，第一层为微带螺旋a结构，第二层为金属反射板，第三层为该天线的馈电网络c部分，馈电网络c的输出端口穿过金属反射板与第一层的微带螺旋a相连接；
所述的微带螺旋a结构包括顶层介质板、印制在顶层介质板顶部的三个双臂螺旋线e、f、g、印制在顶层介质板底部的金属圆盘h和金属圆环i、j；
所述的馈电网络c包括顶部的金属地n、底部的三个一分二的功分器k、l、m；三个功分器k、l、m的输出端口分别对应三个双臂螺旋线e、f、g；
其中，第一层的顶部的双臂螺旋线通过同轴线的内导体与第三层的底部的功分器相连接，第一层底部的金属圆盘h通过同轴线的外导体穿过金属反射板，与第三层的顶部的金属地n相连接。
进一步的，所述的金属反射板为铝板b；所述的铝板b的厚度为2mm。
再进一步的，所述的同轴线为同轴探针d，铝板b上打了6个小孔，同轴探针d将第一层的微带螺旋a与第三层的馈电网络c穿过铝板b连接起来。
进一步的，三个双臂螺旋线e、f、g同心布置，双臂螺旋线e位于内圈、双臂螺旋线f位于中间圈、双臂螺旋线g位于外圈，每个双臂螺旋线由两条螺旋线构成，两条螺旋线极坐标方程分别为
Figure BDA0002071209710000041
式中，a为螺旋线变化率，N为螺旋圈数，r0为螺旋线起始半径。
进一步的，金属圆盘h和金属圆环i、j同心布置，金属圆盘h的直径为d1＝26mm，金属圆环i外圈直径为d2＝38mm、金属圆环j外圈直径为d3＝66mm，金属圆环i的宽度为W2＝8mm、金属圆环j为W3＝10mm，金属圆盘h和两个金属圆环i、j上各挖了两个直径为4.329mm的小圆孔。
进一步的，顶层介质板采用的材料为Rogers 4350B，相对介电常数为3.48，介电损耗为0.0031，厚度为0.762mm。
再进一步的，内圈螺旋线e，螺旋线变化率a＝0.05，螺旋线起始半径r0＝18mm，缠绕圈数N＝4；中间圈螺旋线f，螺旋线变化率a＝0.04，螺旋线起始半径r0＝43mm，螺旋圈数N＝3.9；外圈螺旋线g，螺旋线变化率a＝0.03，螺旋线起始半径r0＝73mm，螺旋圈数N＝4。
再进一步的，同轴探针d的外导体与第一层的微带螺旋a的底部金属圆盘h、金属圆环i、金属圆环j和第三层的馈电网络c的顶层的金属地n焊接在一起。
本发明的技术效果：本发明为一种实现多OAM模式产生的嵌套双臂平面螺旋天线。天线结构主要分为三层，第一层为微带双臂嵌套双臂螺旋结构(即微带螺旋结构)，第二层为金属反射板，材质为铝，厚度为2mm，金属反射板不仅能够实现天线的定向、高增益的功能，也起到将馈电射频同轴电缆与第一层微带螺旋结构隔离的作用，第三层为该天线的馈电网络部分，馈电网络的输出端口穿过金属反射板与第一层的微带螺旋相连接。其中，第一层的顶部微带螺旋线(双臂螺旋线)通过同轴线的内导体与第三层的底部微带馈线(功放器)相连接，第一层底部的金属圆盘通过同轴线的外导体穿过金属反射板，与第三层的顶部金属地相连接。即微带馈电网络由三个一分二的功分器组成，三个功分器实现的都是等幅同相的输出功能，三个功分器的输出端口分别对应三个微带双臂螺旋。通过对馈电网络的输入端口的激励的控制，本发明可在3GHz处，分别产生携带拓扑荷l＝1、l＝3、l＝5的涡旋波束。
与现有的用于产生涡旋电磁波的天线结构相比，本发明通过一个双臂平面嵌套螺旋天线来实现多个OAM模式的产生，通过对馈电口的控制，来产生不同的OAM态，操作简单，产生涡旋电磁波的效果显著。与用于产生OAM的阵列天线相比，在实现高阶拓扑荷的产生上，不需要大量的天线单元，这大大减小了天线的结构尺寸，且本发明所需的馈电网络结构简单、易设计。本发明可在一个频点实现多个OAM模式的产生，具有提高信道容量的潜力。
附图说明
图1(a)是本发明一种实现多OAM模式产生的嵌套双臂平面螺旋天线的三维结构图；
图1(b)是本发明一种实现多OAM模式产生的嵌套双臂平面螺旋天线的侧视图；
图2(a)是本发明一种实现多OAM模式产生的嵌套双臂平面螺旋天线中顶层微带板(微带螺旋a)的俯视图；
图2(b)是本发明一种实现多OAM模式产生的嵌套双臂平面螺旋天线中顶层微带板(微带螺旋a)的底视图；
图3是本发明一种实现多OAM模式产生的嵌套双臂平面螺旋天线中馈电网络的结构图；
图4是本发明一种实现多OAM模式产生的嵌套双臂平面螺旋天线的反射系数仿真图；
图5是不同拓扑荷对应的E面辐射方向图；
图6(a)是本发明一种实现多OAM模式产生的嵌套双臂平面螺旋天线产生拓扑荷数l＝1的电场相位变化仿真图；
图6(b)是本发明一种实现多OAM模式产生的嵌套双臂平面螺旋天线产生拓扑荷数l＝1的电场强度变化仿真图；
图7(a)是本发明一种实现多OAM模式产生的嵌套双臂平面螺旋天线产生拓扑荷数l＝3的电场相位变化仿真图；
图7(b)是本发明一种实现多OAM模式产生的嵌套双臂平面螺旋天线产生拓扑荷数l＝3的电场强度变化仿真图；
图8(a)是本发明一种实现多OAM模式产生的嵌套双臂平面螺旋天线产生拓扑荷数l＝5的电场相位变化仿真图；
图8(b)是本发明一种实现多OAM模式产生的嵌套双臂平面螺旋天线产生拓扑荷数l＝5的电场强度变化仿真图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明嵌套双臂平面螺旋天线的结构及其效果做进一步说明。
如图1(a)和图1(b)所示，本发明可用于电磁波成像系统和无线通信系统中的嵌套双臂平面螺旋天线，主要包括以下部分：微带螺旋a、铝板b以及馈电网络c，其中，微带螺旋a为第一层，铝板b为第二层，馈电网络c为第三层，铝板b上打了6个小孔，同轴探针d将第一层的微带螺旋a与第三层的馈电网络c穿过铝板b连接起来。第一层微带螺旋a的正反面分别如图2(a)、图2(b)所示，其三个双臂螺旋线e、f、g尺寸不同，印制在顶层介质板顶层，金属圆盘h、金属圆环i、金属圆环j印制在顶层介质板底部，主要起到阻抗匹配的作用。图3为馈电网络c，由三个一分二的功分器组成，功分器实现的是等幅同相输出功能，功分器的输入端口1、端口2、端口3分别对应顶层三个嵌套螺旋(即双臂螺旋线)e、f、g。
实施例1：
用于辐射涡旋电磁波的主要结构双臂平面螺旋结构设计如图2所示，每条螺旋臂由两条螺旋线构成，两条螺旋线极坐标方程分别为
Figure BDA0002071209710000071
Figure BDA0002071209710000072
式中，a为螺旋线变化率，N为螺旋圈数，r0为螺旋线起始半径。微带螺旋a印制在顶层介质板正面，如图2(a)所示；顶层介质板背面印制一个金属圆盘h结构和两个尺寸不同的金属圆环i、j结构，如图2(b)所示，主要用于阻抗匹配。金属圆盘h的直径为d1＝26mm，金属圆环i外圈直径为d2＝38mm、金属圆环j外圈直径为d3＝66mm，金属圆环i的宽度为W2＝8mm、金属圆环j为W3＝10mm，金属圆盘h和两个金属圆环i、j上各挖了两个直径为4.329mm的小圆孔(用于50Ω同轴电缆穿过，从而给天线进行馈电)。顶层介质板采用的材料为Rogers 4350B，相对介电常数为3.48，介电损耗为0.0031，厚度为0.762mm。对于内圈螺旋线e，螺旋线变化率a＝0.05，螺旋线起始半径r0＝18mm，缠绕圈数N＝4；对于中间圈螺旋线f，螺旋线变化率a＝0.04，螺旋线起始半径r0＝43mm，螺旋圈数N＝3.9；对于外圈螺旋线g，螺旋线变化率a＝0.03，螺旋线起始半径r0＝73mm，螺旋圈数N＝4。同轴探针d的内导体与第一层微带螺旋a的顶部微带螺旋a的e、f、g和第三层的馈电网络c的底层馈电线的底部功分器k、l、m相连接，同轴探针d的外导体与第一层微带螺旋a的底部金属圆盘h、金属圆环i、金属圆环j和第三层馈电网络c的顶层金属地n焊接在一起，以此来实现由馈电端口1、馈电端口2、馈电端口3完成本发明嵌套双臂平面螺旋天线的馈电。
实施例2：
在电磁仿真软件中对实施例1所设计的结构进行建模和分析。图4为本发明嵌套双臂平面螺旋天线的反射系数，端口1、端口2、端口3在3GHz的反射系数S11、S22、S33都低于-20dB，因此，本发明嵌套双臂平面螺旋天线的三个馈电端口在3GHz处都有良好的阻抗匹配。图5为本发明嵌套双臂平面螺旋天线二维远场辐射方向图，通过分别对天线的输入端口1、端口2、端口3进行馈电，可以得到OAM模式l＝1、l＝3、l＝5对应的二维远场辐射方向图。从图中可以看出，此处设计的天线具有定向辐射特性，其中，拓扑荷l＝1、l＝3、l＝5对应的天线最大增益依次为6.73dBi、6.79dBi、5.18dBi，且随着拓扑荷的增大，对应的天线主波束所在的方向角也会逐渐增大。
对内圈螺旋线e进行馈电，得到的电场强度和相位分布图如图6所示，相位沿着观测面一周变化了2π，对中间圈螺旋线f进行馈电，相位沿着观测面一周变化了6π；得到的电场强度和相位分布图如图7所示，对内圈螺旋线g进行馈电，得到的电场强度和相位分布图如图8所示，相位沿着观测面一周变化了10π。对比图6、图7、图8的电场强度分布图，每个OAM模式对应的电场强度在沿着电磁波传输轴中心处均为最低值，且强度最大值围绕中心呈环形区域，随着OAM模式数增大，环形区域半径增大，对应强度最低中心区域也在变大。通过以上分析可知，本发明嵌套双臂平面螺旋天线所产生的电场相位和强度分布都是典型的OAM特征，因此本发明可用于产生涡旋电磁波。

Claims (7)

1.一种实现多OAM模式产生的嵌套双臂平面螺旋天线，其特征在于，所述的天线结构分为三层，第一层为微带螺旋(a)结构，第二层为金属反射板，第三层为该天线的馈电网络(c)部分，馈电网络(c)的输出端口穿过金属反射板与第一层的微带螺旋(a)相连接；
所述的微带螺旋(a)结构包括顶层介质板、印制在顶层介质板顶部的三个双臂螺旋线(e、f、g)、印制在顶层介质板底部的金属圆盘(h)和金属圆环(i、j)；
所述的馈电网络(c)包括顶部的金属地(n)、底部的三个一分二的功分器(k、l、m)；三个功分器(k、l、m)的输出端口分别对应三个双臂螺旋线(e、f、g)；
其中，第一层的顶部的双臂螺旋线通过同轴线的内导体与第三层的底部的功分器相连接，第一层底部的金属圆盘(h)通过同轴线的外导体穿过金属反射板，与第三层的顶部的金属地(n)相连接；
所述的金属反射板为铝板(b)，所述的同轴线为同轴探针(d)，铝板(b)上打了6个小孔，同轴探针(d)将第一层的微带螺旋(a)与第三层的馈电网络(c)穿过铝板(b)连接起来。
2.根据权利要求1所述的一种实现多OAM模式产生的嵌套双臂平面螺旋天线，其特征在于，所述的铝板(b)的厚度为2mm。
3.根据权利要求1所述的一种实现多OAM模式产生的嵌套双臂平面螺旋天线，其特征在于，三个双臂螺旋线(e、f、g)同心布置，双臂螺旋线(e)位于内圈、双臂螺旋线(f)位于中间圈、双臂螺旋线(g)位于外圈，每个双臂螺旋线由两条螺旋线构成，两条螺旋线极坐标方程分别为
Figure FDA0002591711010000011
Figure FDA0002591711010000012
式中，a为螺旋线变化率，N为螺旋圈数，r0为螺旋线起始半径。
4.根据权利要求1所述的一种实现多OAM模式产生的嵌套双臂平面螺旋天线，其特征在于，金属圆盘(h)和金属圆环(i、j)同心布置，金属圆盘(h)的直径为d1＝26mm，金属圆环(i)外圈直径为d2＝38mm、金属圆环(j)外圈直径为d3＝66mm，金属圆环(i)的宽度为W2＝8mm、金属圆环(j)为W3＝10mm，金属圆盘(h)和两个金属圆环(i、j)上各挖了两个直径为4.329mm的小圆孔。
5.根据权利要求1所述的一种实现多OAM模式产生的嵌套双臂平面螺旋天线，其特征在于，顶层介质板采用的材料为Rogers 4350B，相对介电常数为3.48，介电损耗为0.0031，厚度为0.762mm。
6.根据权利要求3所述的一种实现多OAM模式产生的嵌套双臂平面螺旋天线，其特征在于，内圈螺旋线(e)，螺旋线变化率a＝0.05，螺旋线起始半径r0＝18mm，缠绕圈数N＝4；中间圈螺旋线(f)，螺旋线变化率a＝0.04，螺旋线起始半径r0＝43mm，螺旋圈数N＝3.9；外圈螺旋线(g)，螺旋线变化率a＝0.03，螺旋线起始半径r0＝73mm，螺旋圈数N＝4。
7.根据权利要求1所述的一种实现多OAM模式产生的嵌套双臂平面螺旋天线，其特征在于，同轴探针(d)的外导体与第一层的微带螺旋(a)的底部金属圆盘(h)、金属圆环(i)、金属圆环(j)和第三层的馈电网络(c)的顶层的金属地(n)焊接在一起。
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