CN110336123A - 基于介质集成波导径向传播多模oam波束的天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于轨道角动量模式发射的基于介质集成波导(SIW)径向传播多模OAM波束的天线。本发明基于介质集成波导，通过金属探针作为底馈激励，在SIW环形谐振腔中激励出两个正交模式从而产生径向传播的OAM波束。由于SIW体积小、重量轻等优点，更利于天线的集成和小型化。此外，与传统的射频OAM产生方法相比，通过此方法产生径向传播的OAM波束，在传播路径上没有相位奇点，也不存在波束发散的问题，故可将八个不同OAM模态的波束进行合成构成结构化波束。得到的结构化波束能实现360°范围内的全向扫描，可被用于OAM通信、雷达探测等多个领域。

Description

基于介质集成波导径向传播多模OAM波束的天线

技术领域

本发明涉及一种基于介质集成波导径向传播多模OAM波束的天线，注重平面轨道角动 量波束的产生和叠加，构成结构化波束以实现远距离通信、雷达探测等多种应用。

背景技术

目前，在射频领域，对于轨道角动量的产生方法主要集中在螺旋相位板，赋型抛物面天 线，阵列天线，环形谐振腔等。由OAM波束的相位分布可知，中心的相位奇点会导致OAM波束中心强度为零，而通过上述几种方式产生的传统OAM波束均存在波束发散性问题，故波束中心的“黑斑”会随传播距离的增加而显著增大，这将导致接收端的接收天线因结构庞大而加大接收难度。且对于不同模态的OAM而言，不同的波束发散角将为不同OAM模态 的叠加和复用提出了更大的挑战。综上所述，使用传统OAM波束不利于远距离通信以及不 同OAM模式间的叠加复用。相比于沿主轴传播的传统OAM波束，平面OAM波束沿径向传 播，使波束发散不再是问题。此外，在保留OAM特性的同时，由于场的相位奇异性位于天 线本身的位置，可以解决由于长距离传输中存在的中心黑斑问题。由此可见，平面OAM波 束的提出使得实现不同OAM模式的同轴传播成为一种可能。

不同模态之间的OAM波束叠加可实现波束赋形。波束赋形在无线通信、雷达探测、认知 无线电等领域均有着广泛的应用。相比于传统的全向和定向天线，波束赋形天线具有更高的 增益和灵活性。传统的波束赋形主要通过相控阵来实现，但是相控阵在波束扫描过程中，存 在扫描范围较小、波束形状畸变等问题。而利用结构化OAM波束实现的波束赋形和扫描避 免了传统波束赋形技术所需要的机械扫描和复杂的馈电网络，在保证波束形状不变的情况下， 实现360°的全向扫描，是一种具有高度灵活性和全向扫描范围的技术。因此，如何产生结 构化OAM波束以实现波束赋形显得尤为关键。传统利用环形谐振腔缝隙天线产生径向传播 的OAM天线具有体积大，不利用集成等多个缺点，因此，寻找一种结构简单、便于复用、 无波束发散问题且能实现不同OAM模态叠加的射频OAM波束产生方法对于未来的射频 OAM高速通信以及雷达探测领域等多个领域均具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于介质集成波导径向传播多模OAM 波束的天线，本发明利用N个环形谐振腔叠加实现N个OAM波束的合成以构成结构化波束， 可用于雷达探测、通信等多个领域。

本发明解决技术问题所采取技术方案为：一种基于介质集成波导径向传播多模OAM波 束的天线，它的整体结构由N个基于半模介质集成波导的环形谐振腔依次等间距叠加构成； 所述N个环形谐振腔沿天线的中心面上下对称分布，第个环形谐振腔与第个 环形谐振腔的结构相同，N选自4、6、8、10、12，K为小于的自然数；同时激励所述N 个环形谐振腔，产生N个径向辐射的OAM波束，叠加形成结构化OAM波束。

进一步地，所述基于半模介质集成波导的环形谐振腔通过以下方法制备得到：在圆形基 底介质上贴半径相同的圆形金属贴片，沿圆周均匀开一圈通孔，对通孔的孔壁进行金属化。 圆形基底介质的半径R满足其中l表示OAM模态数，ε_r为介质基板的介电常数， 比例系数p的取值满足6≤p≤7；所述通孔组成的圆与圆形基底介质同心，且半径r满足r≈0.55R。

进一步地，所述单个谐振腔使用金属探针作为底馈激励谐振腔，采用四点馈电方案使得 在环形谐振腔中激励出两个正交模式且电场强度分布在一个圆周上尽可能均匀。馈电之间的 夹角φ满足φ＝(2m+1)π/2l，m＝0，1，2...，l-1，相位相差±90°其中l为OAM的模态数。

本发明与背景技术相比具有的有益效果是：本发明针对通信领域以及雷达探测等多个方 面，SIW径向传播多模OAM波束的天线提出了一种简单可行的产生多模态径向传播射频 OAM波束的环形谐振腔结构。与背景技术中常用的传统OAM波束产生方法相比，本发明产 生的OAM波束沿径向传输，不存在发散角大和中心相位奇点的问题，故能产生不同OAM模态且发散角一致的波束，最终实现OAM波束赋形的目的。此外，相较于径向传播的环形谐 振腔，在制造工艺上，基于SIW的环形谐振腔可利用PCB工艺，更易于加工和集成，具有 体积小，重量轻，更有利于OAM波束的叠加和复用等多种优势。

附图说明

图1是本发明基于介质集成波导径向传播多模OAM波束的天线的整体结构图；

图2是本发明单个环形谐振腔的结构图；

图3是本发明基于介质集成波导径向传播多模OAM波束的天线在空间辐射时沿一圆周 (a＝20mm)的一维电场幅度图(l＝4)；

图4是本发明基于介质集成波导径向传播多模OAM波束的天线在空间辐射时沿一圆周 (a＝20mm)的相位分布图(l＝4)；

图5是本发明基于介质集成波导径向传播多模OAM波束的天线在空间辐射的远场随俯 仰角θ变化时的方向图(l＝4)；

图6是本发明基于介质集成波导径向传播多模OAM波束的天线在远场的波束叠加扫描方向图，其中，(a)—(h)分别为主瓣方向φ＝0°、45°、90°、135°、180°、225°、 270°、315°时的波束方向图。

具体实施方式

本发明设计的基于介质集成波导径向传播多模OAM波束的天线，由N个基于半模介质集成波导的环形谐振腔依次等间距叠加构成；所述N个环形谐振腔沿天线的中心面上下对称分布，第环形谐振腔与第环形谐振腔的结构相同，N选自4、6、8、10、12，K为小于的自然数；同时激励所述N个环形谐振腔，产生N个径向辐射的OAM波 束，叠加形成结构化OAM波束。

基片集成波导是具有类似金属波导传输特性的平面导波结构，通过上下表面金属化的介 质基板中插入周期性排列的金属通孔构成基于介质波导的谐振腔体。利用基片集成波导技术 的优势在于，基片集成波导切面可近似为磁壁，金属通孔阵列可视为电壁边界，能够维持导 波结构并进一步减小体积。在设计中应使得金属通孔的间距足够小以减小能量泄露。本发明 涉及的基于基片集成波导的环形谐振腔可利用印刷电路板工艺进行加工，与传统的环形谐振 腔相比，制造工艺更为方便简单。所述环形谐振腔的制备方法如下：在圆形基底介质上贴半 径相同的圆形金属贴片，沿圆周均匀开一圈通孔，对通孔的孔壁进行金属化。孔金属化是指 顶层和底层之间的孔壁上用化学反应将一层薄铜镀在孔的内壁上，使得印制电路板的顶层与 底层相互连接。所述环形谐振腔使用的介质材料可选自RogersRO3203、RogersRO5880等低 损耗射频介质材料，金属材料可选自铜、金等导电性良好的金属材料。圆形基底介质的半径 R满足其中l表示OAM模态数，ε_r为介质基板的介电常数，比例系数p的取值满足 6≤p≤7；所述通孔组成的圆与圆形基底介质同心，且半径r满足r≈0.55R。

单个环形谐振腔使用金属探针作为底馈激励，为了在环形谐振腔激励出两个正交模式且 电场强度分布在一个圆周上尽可能均匀，本发明利用四点馈电方案，馈电之间的夹角φ满足 φ＝(2m+1)π/2l，m＝0，1，2...，l-1，相位相差±90°其中l为OAM的模态数。为了使得 设计的天线更易于集成化，方便对结构化波束的控制，此发明采用一分四的功分移相网络的 馈电方案，即单个环形谐振腔只通过单点进行馈电，大大减少了馈电的数量使得对单个环形 谐振腔的控制更为简单。

由于波束沿径向传播，故波束在传播路径上不存在相位奇点问题，也不存在波束发散的 问题，完美地解决了传统的OAM波束在应用中存在的缺陷。通过改变产生不同OAM模态 波束的初相，叠加后的OAM结构化波束主瓣方向能实现360°范围内的全向扫描。利用该特 点，得到的结构化波束可被用于OAM通信和雷达探测等多个领域中。

实施例

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详述：

如图1和图2所示，所述的基于介质集成波导径向传播多模OAM波束的天线工作于10GHz下，其主体结构由8个基于半模介质集成波导的环形谐振腔依次等间距叠加构成；8个环形谐振腔沿天线的中心面上下对称分布，即第1个和第8个环形谐振腔结构相同，圆周半径R1为13.0mm，分别产生l＝+3和l＝-3的OAM波束；第2个和第7个环形谐振腔结构相 同，圆周半径R2为15.4mm，分别产生l＝+4和l＝-4的OAM波束；第3个和第6个环形谐振 腔结构相同，分别产生l＝+5和l＝-5的OAM波束，圆周半径R₃为18.4mm，；第4个和第5 个环形谐振腔结构相同，圆周半径R₄为21.5mm，分别产生l＝+6和l＝-6的OAM波束。同时 激励8个环形谐振腔，产生8个径向辐射的OAM波束，叠加形成结构化OAM波束。

如图2所示，单个环形谐振腔由基底介质上的金属贴片和一圈金属化通孔组成，底面为 金属地层。金属通孔的间距应足够小以减少能量泄漏。金属通孔阵列可视为电壁边界，环形 谐振腔切面可近似为磁壁。为了在环形谐振腔激励出两个正交模式且使得最终场分布的幅度 尽可能均匀，每个谐振腔使用金属探针作为底馈激励谐振腔，同时利用四点馈电的方案。馈 电之间的夹角φ满足φ＝(2m+1)π/2l，m＝0，1，2...，l-1，相位相差±90°，其中l为OAM模态。为 了更好的集成八块环形谐振腔，设计一分四的功分移相网络对每个环形谐振腔进行馈电，即 单个模态的OAM模式采用单点进行馈电。所述的天线利用电路板印刷工艺进行加工。介质 材料选用RogersRO3203，相对介电常数介电常数ε_r＝3.02，损耗角正切tanδ＝0.0016，，该种 材料有着优良的电磁性能，介电常数稳定均匀，且损耗角小可以减少介质损耗。金属材料选 用铜。

选取半径为20mm圆周上的一维仿真结果验证OAM波束在空间上的辐射分布特性。以 l＝+4为例，图3和图4分别是电磁仿真软件CST中得到的基于介质集成波导的环形谐振腔在 空间辐射的一维电场幅度以及相位分布图。由图3可知，电场强度在该圆周上幅度在一个圆 周上只在一定小范围内上下波动，体现了OAM波束幅度呈环形均匀分布的特性。如图4所 示，电场相位在该圆周上呈现线性递增变化，绕轴一圈的圆周上相位变化8π，不存在明显的 突变恶化，满足OAM波束沿圆周一圈变化满足2πl的相位分布特性。

图5是本发明的基于介质集成波导的环形谐振腔在空间辐射的远场随俯仰角θ变化时的 方向图，以l＝+4为例，可见由天线向空间辐射的电磁波在径向θ＝π/2处的场强是最大的，证 明了所述的基于介质集成波导的环形谐振腔产生的OAM波束是沿径向传输的。

对八个不同模态的OAM波束进行叠加，最终产生的结构化波束如图6所示。通过调节每 个模态的初相，最终实现主瓣在360°方向的全向扫描，由图6可见，(a)—(h)分别为主瓣方向＝0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°时的波束方向图，实现了结 构化OAM波束在360°范围内全向扫描的特性。此外，在波束扫描的过程中，结构化OAM 波束的波束形状基本保持不变，解决了传统OAM波束在扫描过程中波束变化的问题。

Claims (3)

1.一种基于介质集成波导径向传播多模OAM波束的天线，其特征在于：它的整体结构由N个基于半模介质集成波导的环形谐振腔依次等间距叠加构成；所述N个环形谐振腔沿天线的中心面上下对称分布，第个环形谐振腔与第个环形谐振腔的结构相同，N选自4、6、8、10、12，K为小于的自然数；同时激励所述N个环形谐振腔，产生N个径向辐射的OAM波束，叠加形成结构化OAM波束。

2.如权利要求1所述基于介质集成波导径向传播多模OAM波束的天线，其特征在于：所述基于半模介质集成波导的环形谐振腔通过以下方法制备得到：在圆形基底介质上贴半径相同的圆形金属贴片，沿圆周均匀开一圈通孔，对通孔的孔壁进行金属化。圆形基底介质的半径R满足其中l表示OAM模态数，ε_r为介质基板的介电常数，比例系数p的取值满足6≤p≤7；所述通孔组成的圆与圆形基底介质同心，且半径r满足r≈0.55R。

3.如权利要求1所述基于介质集成波导径向传播多模OAM波束的天线，其特征在于：单个谐振腔使用金属探针作为底馈激励谐振腔，采用四点馈电方案使得在环形谐振腔中激励出两个正交模式且电场强度分布在一个圆周上尽可能均匀。馈电之间的夹角φ满足φ=(2m+1)π/2l,m=0,1,2…,l-1，相位相差±90°其中l为OAM的模态数。