CN110429391A - 一种平面螺旋轨道角动量Vivaldi阵列天线以及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及天线领域，尤其涉及一种平面螺旋轨道角动量Vivaldi阵列天线以及方法。天线包含四块介质板，每块介质板上用印刷电路板工艺对称印制了2个Vivaldi天线阵元，共计8个阵元；四块介质板各自包含对称轴，四块介质板沿着对称轴纵向拼插为一个包含八个分块的Vivaldi天线阵元的基本单元，每个阵元由渐变槽线和馈电巴伦构成，渐变槽线和馈电巴伦分别位于介质板的正反两面；每个Vivaldi天线阵元各有一个馈电端口。克服了传统轨道角动量天线方向图呈中空发散状的缺陷，极大方便了轨道角动量的实际应用。同时，该天线结构紧凑，具有很宽的阻抗带宽和较高的增益。

Description

一种平面螺旋轨道角动量Vivaldi阵列天线以及方法
技术领域
本发明涉及天线领域，尤其涉及一种平面螺旋轨道角动量Vivaldi阵列天线以及方法。
背景技术
近年来，轨道角动量技术提供全新复用维度、提升频谱效率的独特的物理属性和可观的应用前景引起了学界的广泛关注，也使轨道角动量天线的研究成为当前热点。然而，由于携带轨道角动量的电磁波存在中心相位奇点，传统轨道角动量天线的方向图均呈中空发散状，辐射能量难以集中；这对轨道角动量载波的接收、解调以及无线轨道角动量系统的架构设计带来了诸多挑战。
2016年，浙江大学郑史烈教授等人提出了平面螺旋轨道角动量的概念。研究表明，辐射平面螺旋轨道角动量电磁波的天线，其方向图呈类似于半波振子天线的全向边射形式，而非传统轨道角动量天线的中空倒锥形。同时，携带平面螺旋轨道角动量的电磁波，其物理属性，如涡旋形相位波前、不同模式间的正交性等，相比于传统轨道角动量电磁波并无变化。因此，基于平面螺旋轨道角动量天线的无线轨道角动量系统，其接收、解调将更易实现，系统架构也将大为简化。综上，平面螺旋轨道角动量天线具有可观的研究价值和广阔的应用前景。
平面螺旋轨道角动量天线的研究与设计尚未得到广泛的关注，现有平面螺旋轨道角动量天线仅有加载喇叭边缘的金属谐振腔和WGM模介质谐振器这两种形式。但是。天线形式单一、功能简单、设计自由度有限。本发明提出基于UCA的轨道角动量天线完全利用旋转渐变相位馈电来产生轨道角动量，对阵元天线本身没有要求，可根据需要灵活地选用或优化天线阵元，设计思路清晰，设计自由度大；回音壁式对应名词WGM。
发明内容
发明的目的：为了提供一种效果更好的新型疝气带，具体目的见具体实施部分的多个实质技术效果。
为了达到如上目的，本发明采取如下技术方案：
一种平面螺旋轨道角动量Vivaldi阵列天线，其特征在于，天线包含四块介质板，每块介质板上用印刷电路板工艺对称印制了2个Vivaldi天线阵元，共计8个阵元；四块介质板各自包含对称轴，四块介质板沿着对称轴纵向拼插为一个包含八个分块的Vivaldi天线阵元的基本单元，每个阵元由渐变槽线5和馈电巴伦6构成，渐变槽线5和馈电巴伦6分别位于介质板的正反两面；每个Vivaldi天线阵元各有一个馈电端口。
本发明进一步技术方案在于，所述的四块介质板以沿对称轴纵向拼插的形式，构成一紧凑的八元环形天线阵列。
一种针对Vivaldi阵列天线加宽阻抗带宽和提高增益的方法，其特征在于，利用如上任意所述的天线，包含如下步骤，天线包含4块介质板，每块介质板上用印刷电路板工艺对称印制了2个Vivaldi天线阵元，共计8个阵元；阵列半径的电尺寸a0不超过xl/2π，xl为第l阶贝塞尔函数的第一个极值点；4块介质板以沿对称轴纵向拼插的形式，构成一紧凑的8元环形天线阵列；对8个阵元依次采用45ol(n-1)(n=1,2,…,8)的旋转渐变相位馈电，即可使其产生模式数为l的平面螺旋轨道角动量；
本发明进一步技术方案在于，以UCA的圆心为原点和相位参考点；圆阵半径为，为各阵子所在处的方位角，所有阵元被等幅馈电，且各阵元的馈电相位分别为(n=1,2,…N)；设远场区观察点P(r,θ , φ)、原点和第n个阵元形成的立体角为；因此，第n个阵元天线与相位参考点之间至P点的波程差为；故场方向图阵因子可计算为
(1)
其中k为自由空间中的波数；当阵元数N足够大、相邻阵元的方位角间隔Δφ=2π/N足够小时，式（1）可近似为
(2)
其中，为真空中的工作波长；由式（2）可见，适当设置阵半径a，即可实现阵因子方向图从中空倒锥形向全向边射形的转变，也即实现从产生传统轨道角动量到产生平面螺旋轨道角动量的转变；具体分析如下：
设为第l阶贝塞尔函数的第一个极值点，即；由式（2）可得，若在取得最大值，则必有，并记此时的阵半径为；当时，将在时取到第一个极值点，即此时阵列的方向图呈传统轨道角动量天线的中空倒锥形；当非常大时，的第一个极值点将在接近于0时取得；也就是说，随着天线阵列半径的增大，其对所辐射的轨道角动量分叉波束的汇聚作用将越来越明显；当，仍将在处取得极值，但该极值将小于时在处所取得的值；综上所述，采用旋转渐变相位馈电的环形阵列天线，当其阵列半径电尺寸时，即可辐射平面螺旋轨道角动量电磁波。
本发明进一步技术方案在于，在5GHz,对8个馈电端口分别以0o、135o、270o、45o、180o、315o、90o、225o的旋转渐变相位馈电时，该天线产生了l=3的涡旋相位；该天线阵列在5GHz上的三维方向图呈全向边射的形式，而非传统轨道角动量天线的中空倒锥形。
采用如上技术方案的本发明，相对于现有技术有如下有益效果：发明提出的平面螺旋轨道角动量阵列天线，能够产生不同于传统轨道角动量的平面螺旋轨道角动量，克服了传统轨道角动量天线方向图呈中空发散状的缺陷，极大方便了轨道角动量的实际应用。同时，该天线结构紧凑，具有很宽的阻抗带宽和较高的增益。
附图说明
为了进一步说明本发明，下面结合附图进一步进行说明：
图1是计算环形天线阵列远场阵因子场方向图的坐标系。
图2是本发明实施例的结构示意图。
图3是本发明实施例的的尺寸参数图。
图4是天线在5GHz产生的的涡旋相位图。
图5是天线在5GHz产生的全向边射三维辐射方向图。
图6为介质板上开缝的结构示意图；
图7为介质板下开缝的结构示意图；
图8为渐变槽线的形状示意图；
其中：1、介质板一；2、介质板二；3、介质板三；4、介质板四；5、渐变槽线；6、馈电巴伦；7.馈电端口；8.上开缝；9.下开缝。UCA（Uniform Circular Array，均匀环形阵列）
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本专利提供多种并列方案，不同表述之处，属于基于基本方案的改进型方案或者是并列型方案。每种方案都有自己的独特特点。
本发明涉及微波天线领域，尤其涉及一种Vivaldi 平面螺旋轨道角动量阵列天线。天线包含4块介质板，每块介质板上用印刷电路板工艺对称印制了2个Vivaldi天线阵元，共计8个阵元。经理论分析，为使该环形阵列天线产生平面螺旋轨道角动量而非传统的轨道角动量，阵列半径的电尺寸a0不应超过xl/2π，xl为第l阶贝塞尔函数的第一个极值点。因此，4块介质板以沿对称轴纵向拼插的形式，构成一紧凑的8元环形天线阵列。对8个阵元依次采用45ol(n-1)(n=1,2,…,8)的旋转渐变相位馈电，即可使其产生模式数为l的平面螺旋轨道角动量。
实施例
目前的研究已表明，采用旋转渐变相位馈电的环形阵列天线能够产生传统轨道角动量电磁波。如图1所示，以UCA的圆心为原点和相位参考点。圆阵半径为，为各阵子所在处的方位角，所有阵元被等幅馈电，且各阵元的馈电相位分别为(n=1,2,…N)。设远场区观察点P(r,,)、原点和第n个阵元形成的立体角为。因此，第n个阵元天线与相位参考点之间至P点的波程差为。故场方向图阵因子可计算为
(1)
其中k为自由空间中的波数；当阵元数N足够大、相邻阵元的方位角间隔Δφ=2π/N足够小时，式（1）可近似为
(2)
其中，为真空中的工作波长。由式（2）可见，适当设置阵半径a，即可实现阵因子方向图从中空倒锥形向全向边射形的转变，也即实现从产生传统轨道角动量到产生平面螺旋轨道角动量的转变。具体分析如下：
设为第l阶贝塞尔函数的第一个极值点，即。由式（2）可得，若在取得最大值，则必有，并记此时的阵半径为。当时，将在时取到第一个极值点，即此时阵列的方向图呈传统轨道角动量天线的中空倒锥形；当非常大时，的第一个极值点将在接近于0时取得；也就是说，随着天线阵列半径的增大，其对所辐射的轨道角动量分叉波束的汇聚作用将越来越明显。当，仍将在处取得极值，但该极值将小于时在处所取得的值。综上所述，采用旋转渐变相位馈电的环形阵列天线，当其阵列半径电尺寸时，即可辐射平面螺旋轨道角动量电磁波。
图2为本发明实施例提供的Vivaldi 平面螺旋轨道角动量阵列天线结构示意图。如图所示,此实施例由介质板1、2、3、4沿介质板对称轴纵向拼插而成，每块介质板上以镜面对称的方式印刷有两个Vivaldi天线阵元。每个阵元由渐变槽线5和馈电巴伦6构成，渐变槽线5和馈电巴伦6分别位于介质板的正反两面。每个Vivaldi天线阵元各有一个馈电端口（如图中所示的馈电端口7；图中仅标出8个馈电端口中的3个），相邻端口馈电相位差为135o。
在本具体的实施例中，为在5GHz产生模式数l=3的平面螺旋轨道角动量电磁波，经优化设计，最终确定图3的各参数尺寸如下表：（单位：mm）
参数 W L Ws Ls Rc Lb
值(mm) 54.4 81.6 27.2 40.8 3.1 17
对该实施例用商用有限元仿真软件ANSYS HFSS进行了仿真分析。如图4所示，在5GHz,对8个馈电端口分别以0o、135o、270o、45o、180o、315o、90o、225o的旋转渐变相位馈电时，该天线产生了l=3的涡旋相位；如图5所示，该天线阵列在5GHz上的三维方向图呈全向边射的形式，而非传统轨道角动量天线的中空倒锥形。同时，该天线阵列在5GHz上的增益峰值约为6dB，相对阻抗带宽约为85%（4GHz至10GHz，VSWR<2）,具有突出的实用价值。
开创性地，以上各个效果独立存在，还能用一套结构完成上述结果的结合。
关于本专利的制作：（1）介质板中间是有缝隙的，一共有四块介质板，通过纵向拼接的方式焊接起来。我们在用Ansoft HFSS仿真时，中间无开缝与有开缝的仿真结果是一样的，但在实物设计时是有缝隙的。如图6和图7所示；
一共有两种开缝方式：顶部开缝即上开缝和底部开缝即下开缝。在四块介质板中，拿出一块做成顶部开缝，其他三块为底部开缝，然后通过纵向拼接的方式将他们做成一个整体如图2所示。
本文研究的是四块介质板，八个天线阵元的Vivaldi天线。
（3）移相功分馈电网络如图：
该天线的馈电线是同轴线，是通过焊接在馈电底板外露集总端口上的sma接口进行馈电。
（4）渐变槽线和馈电巴伦结构如下：
渐变槽线和巴伦过渡段分别位于介质板的正反面，都是金属贴片。巴伦过渡段采用耦合馈电的方式确保对槽线的平衡馈电。巴伦过渡段是直接与馈电网络相连接的。
以上结构实现的技术效果实现清晰，如果不考虑附加的技术方案，本专利名称还可以是一种新型天线。图中未示出部分细节。
需要说明的是，本专利提供的多个方案包含本身的基本方案，相互独立，并不相互制约，但是其也可以在不冲突的情况下相互组合，达到多个效果共同实现。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本领域的技术人员应该了解本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的范围内。

Claims (5)

1.一种平面螺旋轨道角动量Vivaldi阵列天线，其特征在于，天线包含四块介质板，每块介质板上用印刷电路板工艺对称印制了2个Vivaldi天线阵元，共计8个阵元；四块介质板各自包含对称轴，四块介质板沿着对称轴纵向拼插为一个包含八个分块的Vivaldi天线阵元的基本单元，每个阵元由渐变槽线（5）和馈电巴伦（6）构成，渐变槽线（5）和馈电巴伦（6）分别位于介质板的正反两面；每个Vivaldi天线阵元各有一个馈电端口。
2.如权利要求1所述的一种平面螺旋轨道角动量Vivaldi阵列天线，其特征在于，所述的四块介质板以沿对称轴纵向拼插的形式，构成一紧凑的八元环形天线阵列。
3.一种针对Vivaldi阵列天线加宽阻抗带宽和提高增益的方法，其特征在于，利用权利要求1-2任意所述的天线，包含如下步骤，天线包含4块介质板，每块介质板上用印刷电路板工艺对称印制了2个Vivaldi天线阵元，共计8个阵元；阵列半径的电尺寸a0不超过xl/2π，xl为第l阶贝塞尔函数的第一个极值点；4块介质板以沿对称轴纵向拼插的形式，构成一紧凑的8元环形天线阵列；对8个阵元依次采用45ol(n-1)(n=1,2,…,8)的旋转渐变相位馈电，即可使其产生模式数为l的平面螺旋轨道角动量。
4.如权利要求3所述的一种针对Vivaldi阵列天线加宽阻抗带宽和提高增益的方法，其特征在于，以UCA的圆心为原点和相位参考点；圆阵半径为a，φn为各阵子所在处的方位角，所有阵元被等幅馈电，且各阵元的馈电相位分别为Φn=lφn(n=1,2,…N)；设远场区观察点P(r,θ , φ)、原点和第n个阵元形成的立体角为αn；因此，第n个阵元天线与相位参考点之间至P点的波程差为acosαn；故场方向图阵因子F(θ，φ)可计算为
(1)
其中k为自由空间中的波数；当阵元数N足够大、相邻阵元的方位角间隔Δφ=2π/N足够小时，式（1）可近似为
(2)
其中阵列半径aλ=a/λ，λ为真空中的工作波长；由式（2）可见，适当设置阵半径a，即可实现阵因子方向图从中空倒锥形向全向边射形的转变，也即实现从产生传统轨道角动量到产生平面螺旋轨道角动量的转变；具体分析如下：
设xι为第l阶贝塞尔函数的第一个极值点，即；由式（2）可得，若F(θ，φ)在θ=90°取得最大值，则必有，并记此时的阵半径为；当时，将在时取到第一个极值点，即此时阵列的方向图呈传统轨道角动量天线的中空倒锥形；当非常大时，的第一个极值点将在接近于0时取得；也就是说，随着天线阵列半径的增大，其对所辐射的轨道角动量分叉波束的汇聚作用将越来越明显；当，仍将在处取得极值，但该极值将小于时在处所取得的值；综上所述，采用旋转渐变相位馈电的环形阵列天线，当其阵列半径电尺寸时，即可辐射平面螺旋轨道角动量电磁波。
5.如权利要求3所述的一种针对Vivaldi阵列天线加宽阻抗带宽和提高增益的方法，其特征在于，在5GHz,对8个馈电端口分别以0o、135o、270o、45o、180o、315o、90o、225o的旋转渐变相位馈电时，该天线产生了l=3的涡旋相位；该天线阵列在5GHz上的三维方向图呈全向边射的形式，而非传统轨道角动量天线的中空倒锥形。
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