CN111180882A - 电调圆极化复合多模态可重构轨道角动量天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的电调圆极化复合多模态可重构轨道角动量天线，包括由下至上依次设置的第一介质基板及第二介质基板，第二介质基板上方设置有第三介质基板，第三介质基板与所述第二介质基板之间间隔有空气层；第一介质基板的下表面印制有金属馈电网络，第一介质基板的上表面印制有与其形状大小相同的金属地板，第二介质基板的上表面印制有四个金属辐射片；第三介质基板包括有在同一平面上设置的四个形状大小相同的圆形的第三介质基板单元；每个第三介质基板单元的下表面均印制有同样半径的圆形的金属耦合贴片；还包括有四个馈电探针单元。该天线能进一步克服重构时性能单一和阵列馈网结构复杂的问题。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种电调圆极化复合多模态可重构轨道角动量天线。
背景技术
在人工智能蓬勃发展并成为全球热点的背景下，大数据、物联网、智能化技术也正在不断融合和进步。这些技术都需要高容量化、集成化、高适应度、智能化的通信设备作为有力支撑，但是目前频谱资源面临着异常紧张的现况，缓解新型业务与高容量之间的矛盾是非常必要的。针对上述问题，常采用的解决方案是频分复用、时分复用、码分复用、空分复用等技术，分别对应着频率、时间、码型及空间等被人们广泛认知的维度分量。对于这些技术虽然得到较充分的开发与利用，但它们仍受到频谱资源和传统调制技术的限制，较难满足无线通信未来超高速率发展的需求。而轨道角动量技术将复用技术维度延伸到模态这一新的物理参量上来。由于OAM波束的模态阶数理论上可以为任意值，并且不同模态阶数的OAM波束相互正交，借助这一固有优势可将同频多路信号调制到OAM波束上，实现在同一载频上的多路信息复用传输，实现绿色、高速、安全的传输。
在现有的研究中，可通过螺旋相位板或者光栅等类光学方法激发涡旋波束，也可通过阵列天线或者超材料的电磁学方法激励出涡旋波束。与此同时，智能化实现多模态可重构技术，可扩展轨道角动量天线的应用领域并提高天线的通信速率、环境适应能力、抗干扰能力。对于这一领域已有学者做了相关研究如，2017年Q.Liu等人在传统微带馈电网络中加载可调的PIN二极管，并利用PIN管的导通/截止形成不同的馈电结构，进而产生两种不同配置的阵元激励相位，并通过此原理设计了一种具有+1和-1两种重构模态的偶极子圆形阵列。2018年Y.Y.Wang等人采用耦合探针馈电的圆形贴片天线作为基础模型，通过对天线的宽带馈电网络合理布局设计及对其中的PIN管进行编码，实现了5种OAM波束的电调可重构功能。2018年L.Li等人选用平面螺旋天线作为阵元建立8元宽带圆极化UCA，通过阵元机械旋转形成步进量为-135°～135°的7种相位差，从而在保持馈电网络等幅同相激励的同时，产生6种模态的涡旋电磁波束。上述最新研究成果都已经实现了轨道角动量天线良好的重构功能，但也存在一些局限性，如可重构参数单一，机械调控方式时精度较低、切换速度慢；移相馈电网络的结构相对复杂，并需要数量较多的调控元件。
此外，圆极化天线具有抗多径反射干扰与消除“法拉第旋转”效应的功能，因此一直是天线领域的研究热点。
发明内容
本发明的目的是提供一种电调圆极化复合多模态可重构轨道角动量天线，利用圆极化技术增强天线的抗干扰能力，同时将天线极化方式与轨道角动量电磁波模态进行复合式重构，克服重构时性能单一和阵列馈网结构复杂的问题，并采用电调方式提高重构时的精度和速度。
本发明所采用的技术方案是，电调圆极化复合多模态可重构轨道角动量天线，包括由下至上依次设置的第一介质基板及第二介质基板，第二介质基板上方设置有第三介质基板，第三介质基板与所述第二介质基板之间间隔有空气层；第一介质基板与第二介质基板的形状均为大小相同的正方形；第一介质基板的下表面印制有金属馈电网络，第一介质基板的上表面印制有与其形状大小相同的正方形的金属地板，第二介质基板的上表面印制有四个形状大小相同的圆环形状的金属辐射片，四个金属辐射片均匀分布在同一圆周上；第三介质基板包括有在同一平面上设置的四个形状大小相同的圆形的第三介质基板单元，四个第三介质基板单元分别位于四个金属辐射片的正上方，四个第三介质基板单元与四个所述金属辐射片一一对应设置；每个第三介质基板单元的下表面均印制有同样半径的圆形的金属耦合贴片；
还包括有四个馈电探针单元，每个单元包括四个均匀分布的馈电探针，每个馈电探针单元分别由下至上依次贯穿第一介质基板、金属地板、第二介质基板后将金属辐射片与金属馈电网络连接起来，四个馈电探针单元与四个金属辐射片一一对应。
本发明的特征还在于，
金属馈电网络包括有四个单元天线馈电网络及一个阵列系统馈电网络，四个单元天线馈电网络均与阵列系统馈电网络连接；四个单元天线馈电网络与四个金属辐射片一一对应，四个单元天线馈电网络分别位于四个金属辐射片的正下方，每两个相邻的单元天线馈电网络均成镜像对称，一个单元天线馈电网络通过一个馈电探针单元与一个金属辐射片连接。
单元天线馈电网络包含有一个一分二等幅度同相的第一功分器，第一功分器的两个输出端之间焊接有隔离电阻，第一功分器的两个输出端端部分别连接有激励相位不同的第一T型单刀双掷开关及第二T型单刀双掷开关；每个馈电探针单元均包括四个馈电探针，第一T型单刀双掷开关通过两个馈电探针与金属辐射片连接，第二T型单刀双掷开关通过两个馈电探针与金属辐射片连接。
阵列系统馈电网络包括有一个第二功分器，第二功分器的两个输出端分别连接有一个第三功分器，每个第三功分器的两个输出端分别与两个单元天线馈电网络的第一功分器连接，第二功分器的两个输出端及第三功分器的两个输出端均焊接有隔离电阻；第二功分器上的输入端为总馈电端口。
第一T型单刀双掷开关包括有四个PIN射频开关、一个第一主传输线及设置在第一主传输线一端端部左、右两侧的两个第一分支传输线，第一主传输线的另一端与第一功分器的其中一个输出端连接，两个第一分支传输线与第一主传输线端部之间存在间隙，一个间隙设置有一个PIN射频开关；与两个第一分支传输线远离第一主传输线的端部间隔一定间隙处分别设置有一个馈电探针，一个间隙设置有一个PIN射频开关；
第二T型单刀双掷开关包括有四个PIN射频开关、一个第二主传输线及设置在第二主传输线一端端部左、右两侧的两个第二分支传输线，所述第二主传输线的另一端与第一功分器的其中一个输出端连接，两个第二分支传输线与第二主传输线端部之间存在间隙，一个间隙设置有一个PIN射频开关；与两个第二分支传输线远离第二主传输线的端部间隔一定间隙处分别设置有一个馈电探针，一个间隙设置有一个PIN射频开关；
与第一分支传输线连接的两个馈电探针所激励的相位相同，与第二分支传输线连接的两个馈电探针所激励的相位相同；与第一分支传输线连接的两个馈电探针所激励的相位滞后与第二分支传输线连接的两个馈电探针所激励的相位90度。
隔离电阻的阻值为100欧姆。
第一介质基板采用相对介电常数为3.5、厚度为0.5mm的正方形F4B介质材料，边长为185mm；第二介质基板采用相对介电常数为3.5、厚度为0.5mm的正方形F4B介质材料，边长为185mm；第三介质基板单元的半径为29mm，厚度为1mm的FR4基板。
金属辐射片为外径为14.5mm，内径为7.4mm的圆环状金属辐射片。
每个馈电探针位置距离金属辐射片的圆心11mm。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的天线基于均匀圆形阵列，在同一天线口径下可以分别产生模态值为+1并且极化方式为左、右旋圆极化，模态值为-1并且极化方式为左、右旋圆极化的四种涡旋电磁波，从而实现了圆极化与模态复合可重构特性。
(2)本发明的天线中形成多模态轨道角动量的阵元相位差，仅由单元天线的激励相位差产生，所以系统中不需要外接的移相装置。产生不同状态的涡旋电磁波时，只需改变单元天线中的开关状态，切换速度快，调节精度高，避免了移相调控时的复杂结构设计，无需辅助机械装置，且单元天线形式统一，结构简单，易于调节。
(3)本发明的天线阵列和馈电网络采用印刷电路板技术，易于加工和制作。阵列中的单元天线采用耦合馈电形式，与传统微带线直接馈电的OAM贴片天线相比，工作频带较宽。
附图说明
图1是本发明电调圆极化复合多模态可重构轨道角动量天线的整体结构示意图；
图2是本发明电调圆极化复合多模态可重构轨道角动量天线的第一单元天线馈电网络的结构示意图；
图3是本发明电调圆极化复合多模态可重构轨道角动量天线的第二单元天线馈电网络的结构示意图；
图4是本发明电调圆极化复合多模态可重构轨道角动量天线的第三单元天线馈电网络的结构示意图；
图5是本发明电调圆极化复合多模态可重构轨道角动量天线的第四单元天线馈电网络的结构示意图；
图6是本发明电调圆极化复合多模态可重构轨道角动量天线的系统馈电网络结构示意图；
图7是本发明实施例提供的电调圆极化复合多模态可重构轨道角动量天线在不同状态时的回波损耗特性的示意图；
图8是本发明实施例提供的电调圆极化复合多模态可重构轨道角动量天线在不同状态时的轴比特性的示意图；
图9是本发明实施例提供的电调圆极化复合多模态可重构轨道角动量天线左旋圆极化且OAM模态数为+1时的电场相位分布图；
图10是本发明实施例提供的电调圆极化复合多模态可重构轨道角动量天线左旋圆极化且OAM模态数为-1时的电场相位分布图；
图11是本发明实施例提供的电调圆极化复合多模态可重构轨道角动量天线右旋圆极化且OAM模态数为+1时的电场相位分布图。
图12是本发明实施例提供的电调圆极化复合多模态可重构轨道角动量天线右旋圆极化且OAM模态数为-1时的电场相位分布图；
图13是本发明实施例天线工作在状态一时在中心频率2.5GHz的归一化方向图。
图14是本发明实施例天线工作在状态二时在中心频率2.5GHz的归一化方向图。
图15是本发明实施例天线工作在状态三时在中心频率2.5GHz的归一化方向图。
图16是本发明实施例天线工作在状态四时在中心频率2.5GHz的归一化方向图。
图中，1.第一介质基板，2.第二介质基板，3.第三介质基板单元，4.金属辐射片，5.金属耦合贴片，6.金属地板，7.馈电探针，8.金属馈电网络，9.隔离电阻，10.总馈电端口，11.第一单元天线馈电网络，12.第二单元天线馈电网络，13.第三单元天线馈电网络，14.第四单元天线馈电网络，15.第一功分器，16.第二功分器，17.第三功分器；
8-1.阵列系统馈电网络；
11-1.第一PIN射频开关a，11-2.第二PIN射频开关a，11-3.第三PIN射频开关a，11-4.第四PIN射频开关a，11-5.第五PIN射频开关a，11-6.第六PIN射频开关a，11-7.第七PIN射频开关a，11-8.第八PIN射频开关a，11-9.第一主传输线a，11-10.第一分支传输线a，11-11.第二主传输线a，11-12.第二分支传输线a；
12-1.第一PIN射频开关b，12-2.第二PIN射频开关b，12-3.第三PIN射频开关b，12-4.第四PIN射频开关b，12-5.第五PIN射频开关b，12-6.第六PIN射频开关b，12-7.第七PIN射频开关b，12-8.第八PIN射频开关b，12-9.第一主传输线b，12-10.第一分支传输线b，12-11.第二主传输线b，12-12.第二分支传输线b；
13-1.第一PIN射频开关c，13-2.第二PIN射频开关c，13-3.第三PIN射频开关c，13-4.第四PIN射频开关c，13-5.第五PIN射频开关c，13-6.第六PIN射频开关c，13-7.第七PIN射频开关c，13-8.第八PIN射频开关c，13-9.第一主传输线c，13-10.第一分支传输线c，13-11.第二主传输线c，13-12.第二分支传输线c；
14-1.第一PIN射频开关d，14-2.第二PIN射频开关d，14-3.第三PIN射频开关d，14-4.第四PIN射频开关d，14-5.第五PIN射频开关d，14-6.第六PIN射频开关d，14-7.第七PIN射频开关d，14-8.第八PIN射频开关d，14-9.第一主传输线d，14-10.第一分支传输线d，14-11.第二主传输线d，14-12.第二分支传输线d。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明电调圆极化复合多模态可重构轨道角动量天线，如图1-6所示，包括由下至上依次设置的第一介质基板1及第二介质基板2，第二介质基板2上方设置有第三介质基板，第三介质基板与第二介质基板2之间间隔有空气层；第一介质基板1与第二介质基板2的形状均为大小相同的正方形；第一介质基板1的下表面印制有金属馈电网络8，第一介质基板1的上表面印制有与其形状大小相同的正方形的金属地板6，第二介质基板2的上表面印制有四个形状大小相同的圆环形状的金属辐射片4，四个金属辐射片4均匀分布在同一圆周上；第三介质基板包括有在同一平面上设置的四个形状大小相同的圆形的第三介质基板单元3，四个第三介质基板单元3分别位于四个金属辐射片4的正上方，四个第三介质基板单元3与四个金属辐射片4一一对应设置；每个第三介质基板单元3的下表面均印制有同样半径的圆形的金属耦合贴片5；
还包括有四个馈电探针单元，每个单元包括四个均匀分布的馈电探针，每个馈电探针单元分别由下至上依次贯穿第一介质基板1、金属地板6、第二介质基板2后将金属辐射片4与金属馈电网络8连接起来，四个馈电探针单元与四个金属辐射片4一一对应。
金属馈电网络8包括有四个单元天线馈电网络及一个阵列系统馈电网络8-1，四个单元天线馈电网络均与阵列系统馈电网络8-1连接；四个单元天线馈电网络与四个金属辐射片4一一对应，四个单元天线馈电网络分别位于四个金属辐射片4的正下方，每两个相邻的单元天线馈电网络均成镜像对称，一个单元天线馈电网络通过一个馈电探针单元与一个金属辐射片4连接。
单元天线馈电网络包含有一个一分二等幅度同相的第一功分器15，第一功分器15的两个输出端之间焊接有隔离电阻9，第一功分器15的两个输出端端部分别连接有激励相位不同的第一T型单刀双掷开关及第二T型单刀双掷开关；每个馈电探针单元包括四个均匀圆形分布馈电探针7第一T型单刀双掷开关通过两个馈电探针7与金属辐射片4连接，第二T型单刀双掷开关通过两个馈电探针7与金属辐射片4连接。
阵列系统馈电网络8-1包括有一个第二功分器16，第二功分器16的两个输出端分别连接有一个第三功分器17，每个第三功分器17的两个输出端分别与两个单元天线馈电网络的第一功分器15连接，第二功分器16的两个输出端及所述第三功分器17的两个输出端均焊接有隔离电阻9；第二功分器16上的输入端为总馈电端口10。
第一T型单刀双掷开关包括有四个PIN射频开关、一个第一主传输线及设置在第一主传输线一端端部左、右两侧的两个第一分支传输线，第一主传输线的一端与第一功分器15的其中一个输出端连接，两个第一分支传输线与第一主传输线端部之间存在间隙，一个间隙设置有一个PIN射频开关；与两个第一分支传输线远离第一主传输线的端部间隔一定间隙处分别设置有一个馈电探针7，一个间隙设置有一个PIN射频开关；
第二T型单刀双掷开关包括有四个PIN射频开关、一个第二主传输线及设置在第二主传输线一端端部左、右两侧的两个第二分支传输线，第二主传输线的另一端与第一功分器15的其中一个输出端连接，两个第二分支传输线与第二主传输线端部之间存在间隙，一个间隙设置有一个PIN射频开关；与两个第二分支传输线远离第二主传输线的端部间隔一定间隙处分别设置有一个馈电探针7，一个间隙设置有一个PIN射频开关；
与第一分支传输线连接的两个馈电探针7所激励的相位相同，与第二分支传输线连接的两个馈电探针7所激励的相位相同；与第一分支传输线连接的两个馈电探针7所激励的相位滞后与第二分支传输线连接的两个馈电探针7所激励的相位90度。
第一介质基板1采用相对介电常数为3.5、厚度为0.5mm的正方形F4B介质材料，边长为185mm；第二介质基板2采用相对介电常数为3.5、厚度为0.5mm的正方形F4B介质材料，边长为185mm；第三介质基板单元3的半径为29mm，厚度为1mm的FR4基板。
金属辐射片4为外径为14.5mm，内径为7.4mm的圆环状金属辐射片。
每个馈电探针7位置距离金属辐射片4的圆心11mm。
实施例
具有上述结构的电调圆极化多模态可重构轨道角动量天线中，第一介质基板1采用相对介电常数为3.5、厚度为0.5mm的正方形F4B介质材料，边长为185mm。在第一介质基板1的上方重叠设置的第二介质基板2，同样采用相对介电常数为3.5、厚度为0.5mm的正方形F4B介质材料，边长为185mm。金属辐射片4为外径为14.5mm，内径为7.4mm的圆环状金属辐射片。
第三介质基板3的为厚度为1mm，半径为29mm的圆形介质基板，所采用的材料为介电常数4.4的FR4。第三层介质基板单元距离第二次介质基板2的空气层厚度为5mm。隔离电阻9的阻值为100欧姆。
第一功分器15、第二功分器16及第三功分器17均为一分二等幅同相的威尔金森功分器。
本发明的电调圆极化多模态可重构轨道角动量天线中包括有四个单元天线馈电网络，分别命名为第一单元天线馈电网络、第二单元天线馈电网络、第三单元天线馈电网络及第四单元天线馈电网络，并赋予编号，具体为：第一单元天线馈电网络11、第二单元天线馈电网络12、第三单元天线馈电网络13及第四单元天线馈电网络14。
如图1所示，第一单元天线馈电网络11、第二单元天线馈电网络12、第三单元天线馈电网络13及第四单元天线馈电网络14设置在金属辐射贴片4正下方，其中第二主传输线端部中心点与金属辐射贴片4的圆心重合，每相邻的两个单元天线馈电网络成镜像对称。
实施例中馈电探针的设置如下：
一个馈电探针单元包括的四个馈电探针7均匀分布在圆周上，其圆心与金属辐射片4圆心重合，半径为11mm。
如图2-5所示，对第一单元天线馈电网络11、第二单元天线馈电网络12、第三单元天线馈电网络13及第四单元天线馈电网络14中的第一T型单刀双掷开关及第二T型单刀双掷开关进行区分，具体为：第一单元天线馈电网络11中的第一T型单刀双掷开关及第二T型单刀双掷开关分别用第一T型单刀双掷开关a及第二T型单刀双掷开关a表示；第二单元天线馈电网络12中的第一T型单刀双掷开关及第二T型单刀双掷开关分别用第一T型单刀双掷开关b及第二T型单刀双掷开关b表示；第三单元天线馈电网络13中的第一T型单刀双掷开关及第二T型单刀双掷开关分别用第一T型单刀双掷开关c及第二T型单刀双掷开关c表示；第四单元天线馈电网络14中的第一T型单刀双掷开关及第二T型单刀双掷开关分别用第一T型单刀双掷开关d及第二T型单刀双掷开关d表示。
对第一T型单刀双掷开关a、第一T型单刀双掷开关b、第一T型单刀双掷开关c及第一T型单刀双掷开关d中的第一主传输线及第一分支传输线进行区分并赋予编号，具体为：第一T型单刀双掷开关a中的第一主传输线及第一分支传输线分别用第一主传输线a11-9及第一分支传输线a11-10表示；第一T型单刀双掷开关b中的第一主传输线及第一分支传输线分别用第一主传输线b12-9及第一分支传输线b12-10表示；第一T型单刀双掷开关c中的第一主传输线及第一分支传输线分别用第一主传输线c13-9及第一分支传输线c13-10表示；第一T型单刀双掷开关d中的第一主传输线及第一分支传输线分别用第一主传输线d14-9及第一分支传输线d14-10表示。
对第二T型单刀双掷开关a、第二T型单刀双掷开关b、第二T型单刀双掷开关c及第二T型单刀双掷开关d中的第二主传输线及第二分支传输线进行区分并赋予编号，具体为：第二T型单刀双掷开关a中的第二主传输线及第二分支传输线分别用第二主传输线a11-11及第二分支传输线a11-12表示；第二T型单刀双掷开关b中的第二主传输线及第二分支传输线分别用第二主传输线b12-11及第二分支传输线b12-12表示；第二T型单刀双掷开关c中的第二主传输线及第二分支传输线分别用第二主传输线c13-11及第二分支传输线c13-12表示；第二T型单刀双掷开关d中的第二主传输线及第二分支传输线分别用第二主传输线d14-11及第二分支传输线d14-12表示。
对第一T型单刀双掷开关a及第二T型单刀双掷开关a上的8个PIN射频开关分别赋予编号进行区分，具体为：两个第一分支传输线a11-10与第一主传输线a11-09端部之间的两个间隙上设置的两个PIN射频开关用第一PIN射频开关a11-1及第二PIN射频开关a11-2表示；位于两个第一分支传输线a11-10远离第一主传输线a11-09的末端间隙处的两个PIN射频开关用第三PIN射频开关a11-3及第四PIN射频开关a11-4表示；两个第二分支传输线a11-12与第二主传输线a11-11端部之间的两个间隙上设置的两个PIN射频开关用第五PIN射频开关a11-5及第六PIN射频开关a11-6表示；位于两个第二分支传输线a11-12远离第二主传输线a11-11的末端间隙处的两个PIN射频开关用第七PIN射频开关a11-7及第八PIN射频开关a11-8表示；
对第一T型单刀双掷开关b及第二T型单刀双掷开关b上的8个PIN射频开关分别赋予编号进行区分，具体为：两个第一分支传输线b12-10与第一主传输线b12-09端部之间的两个间隙上设置的两个PIN射频开关用第一PIN射频开关b12-1及第二PIN射频开关b12-2表示；位于两个第一分支传输线b12-10远离第一主传输线b12-09的末端间隙处的两个PIN射频开关用第三PIN射频开关b12-3及第四PIN射频开关b12-4表示；两个第二分支传输线b12-12与第二主传输线b12-11端部之间的两个间隙上设置的两个PIN射频开关用第五PIN射频开关b12-5及第六PIN射频开关b12-6表示；位于两个第二分支传输线b12-12远离第二主传输线b12-11的末端间隙处的两个PIN射频开关用第七PIN射频开关b12-7及第八PIN射频开关b12-8表示；
对第一T型单刀双掷开关c及第二T型单刀双掷开关c上的8个PIN射频开关分别赋予编号进行区分，具体为：两个第一分支传输线c13-10与第一主传输线c13-09端部之间的两个间隙上设置的两个PIN射频开关用第一PIN射频开关c13-1及第二PIN射频开关c13-2表示；位于两个第一分支传输线c13-10远离第一主传输线c13-09的末端间隙处的两个PIN射频开关用第三PIN射频开关c13-3及第四PIN射频开关c13-4表示；两个第二分支传输线c13-12与第二主传输线c13-11端部之间的两个间隙上设置的两个PIN射频开关用第五PIN射频开关c13-5及第六PIN射频开关c13-6表示；位于两个第二分支传输线c13-12远离第二主传输线c13-11的末端间隙处的两个PIN射频开关用第七PIN射频开关c13-7及第八PIN射频开关c13-8表示；
对第一T型单刀双掷开关d及第二T型单刀双掷开关d上的8个PIN射频开关分别赋予编号进行区分，具体为：两个第一分支传输线d14-10与第一主传输线d14-09端部之间的两个间隙上设置的两个PIN射频开关用第一PIN射频开关d14-1及第二PIN射频开关d14-2表示；位于两个第一分支传输线d14-10远离第一主传输线d14-09的末端间隙处的两个PIN射频开关用第三PIN射频开关d14-3及第四PIN射频开关d14-4表示；两个第二分支传输线d14-12与第二主传输线d14-11端部之间的两个间隙上设置的两个PIN射频开关用第五PIN射频开关d14-5及第六PIN射频开关d14-6表示；位于两个第二分支传输线d14-12远离第二主传输线d14-11的末端间隙处的两个PIN射频开关用第七PIN射频开关d14-7及第八PIN射频开关d14-8表示。
通过控制单元天线馈电网络中PIN射频开关的通断来改变微带电路的电流路径，进而获得不同的模态与极化方式。在本设计中天线可以实现以下四种状态。
状态一：第一PIN射频开关a11-1、第三PIN射频开关a11-3、第六PIN射频开关a11-6、第八PIN射频开关a11-8、第一PIN射频开关b12-1、第三PIN射频开关b12-3、第五PIN射频开关b12-5、第七PIN射频开关b12-7、第一PIN射频开关c13-1、第三PIN射频开关c13-3、第六PIN射频开关c13-6、第八PIN射频开关c13-8、第一PIN射频开关d14-1、第三PIN射频开关d14-3、第五PIN射频开关d14-5、第七PIN射频开关d14-7打开，第二PIN射频开关a11-2、第四PIN射频开关a11-4、第五PIN射频开关a11-5、第七PIN射频开关a11-7、第二PIN射频开关b12-2、第四PIN射频开关b12-4、第六PIN射频开关b12-6、第八PIN射频开关b12-8、第二PIN射频开关c13-2、第四PIN射频开关c13-4、第五PIN射频开关c13-5、第七PIN射频开关c13-7、第二PIN射频开关d14-2、第四PIN射频开关d14-4、第六PIN射频开关d14-6、第八PIN射频开关d14-8关闭。本发明天线产生模态数l＝+1的左旋圆极化OAM电磁涡旋波束。
状态二：第一PIN射频开关a11-1、第三PIN射频开关a11-3、第六PIN射频开关a11-6、第八PIN射频开关a11-8、第二PIN射频开关b12-2、第四PIN射频开关b12-4、第六PIN射频开关b12-6、第八PIN射频开关b12-8、第一PIN射频开关c13-1、第三PIN射频开关c13-3、第六PIN射频开关c13-6、第八PIN射频开关c13-8、第二PIN射频开关d14-2、第四PIN射频开关d14-4、第六PIN射频开关d14-6、第八PIN射频开关d14-8打开，第二PIN射频开关a11-2、第四PIN射频开关a11-4、第五PIN射频开关a11-5、第七PIN射频开关a11-7、第一PIN射频开关b12-1、第三PIN射频开关b12-3、第五PIN射频开关b12-5、第七PIN射频开关b12-7、第二PIN射频开关c13-2、第四PIN射频开关c13-4、第五PIN射频开关c13-5、第七PIN射频开关c13-7、第一PIN射频开关d14-1、第三PIN射频开关d14-3、第五PIN射频开关d14-5、第七PIN射频开关d14-7关闭。本发明天线产生模态数l＝-1的左旋圆极化OAM电磁涡旋波束。
状态三：第二PIN射频开关a11-2、第四PIN射频开关a11-4、第六PIN射频开关a11-6、第八PIN射频开关a11-8、第一PIN射频开关b12-1、第三PIN射频开关b12-3、第六PIN射频开关b12-6、第八PIN射频开关b12-8、第二PIN射频开关c13-2、第四PIN射频开关c13-4、第六PIN射频开关c13-6、第八PIN射频开关c13-8、第一PIN射频开关d14-1、第三PIN射频开关d14-3、第六PIN射频开关d14-6、第八PIN射频开关d14-8打开，第一PIN射频开关a11-1、第三PIN射频开关a11-3、第五PIN射频开关a11-5、第七PIN射频开关a11-7、第二PIN射频开关b12-2、第四PIN射频开关b12-4、第五PIN射频开关b12-5、第七PIN射频开关b12-7、第一PIN射频开关c13-1、第三PIN射频开关c13-3、第五PIN射频开关c13-5、第七PIN射频开关c13-7、第二PIN射频开关d14-2、第四PIN射频开关d14-4、第五PIN射频开关d14-5、第七PIN射频开关d14-7关闭。本发明天线产生模态数l＝+1的右旋圆极化OAM电磁涡旋波束。
状态四：第二PIN射频开关a11-2、第四PIN射频开关a11-4、第六PIN射频开关a11-6、第八PIN射频开关a11-8、第二PIN射频开关b12-2、第四PIN射频开关b12-4、第五PIN射频开关b12-5、第七PIN射频开关b12-7、第二PIN射频开关c13-2、第四PIN射频开关c13-4、第六PIN射频开关c13-6、第八PIN射频开关c13-8、第二PIN射频开关d14-2、第四PIN射频开关d14-4、第五PIN射频开关d14-5、第七PIN射频开关d14-7打开，第一PIN射频开关a11-1、第三PIN射频开关a11-3、第五PIN射频开关a11-5、第七PIN射频开关a11-7、第一PIN射频开关b12-1、第三PIN射频开关b12-3、第六PIN射频开关b12-6、第八PIN射频开关b12-8、第一PIN射频开关c13-1、第三PIN射频开关c13-3、第五PIN射频开关c13-5、第七PIN射频开关c13-7、第一PIN射频开关d14-1、第三PIN射频开关d14-3、第六PIN射频开关d14-6、第八PIN射频开关d14-8关闭。本发明天线产生模态数l＝-1的左旋圆极化OAM电磁涡旋波束。
以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：
如图7所示，当激励左旋圆极化OAM波束在模态值为+1(状态一)时，回波损耗小于-15dB的频带范围为2.40-2.67GHz，相对带宽为10.7％；当激励左旋圆极化OAM波束在模态值为-1(状态二)时，回波损耗小于-15dB的频带范围为2.38-2.69GHz，相对带宽为12.2％；当激励右旋圆极化OAM波束在模态值为+1(状态三)时，回波损耗小于-15dB的频带范围为2.38-2.68GHz，相对带宽为11.9％；当激励右旋圆极化OAM波束在模态值为-1(状态四)时，回波损耗小于-15dB的频带范围为2.36-2.67GHz，相对带宽为12.3％。
图8展示的是本设计实施例天线在不同极化、不同模态情况下的轴比曲线。在设计的四种状态(状态一、状态二、状态三、状态四)中，天线轴比小于3的条件下，实施例天线共同覆盖的频带范围是：2.24-2.9GHz，相对带宽为25.7％。本实施例中天线轴比带宽要明显优于现有微带贴片天线构成的轨道角动量阵列天线轴比带宽，证明设计天线在不同的状态下都具有良好的圆极化特性。
图9展示的是本实施例中提供的可重构轨道角动量天线在左旋圆极化且OAM模态数为+1(状态一)时的电场相位分布情况。电场相位分布图呈涡旋分布，且沿圆周一圈的相位变化量为2π，旋向为顺时针，表明本发明产生了模态数l＝+1的OAM波束。
图10展示的是本实施例中提供的可重构轨道角动量天线在左旋圆极化且OAM模态数为-1(状态二)时的电场相位分布情况。电场相位分布图呈涡旋分布，且沿圆周一圈的相位变化量为2π，旋向为逆时针，表明本发明产生了模态数l＝-1的OAM波束。
图11展示的是本实施例中提供的可重构轨道角动量天线在右旋圆极化且OAM模态数为+1(状态三)时的电场相位分布情况。电场相位分布图呈涡旋分布，且沿圆周一圈的相位变化量为2π，旋向为顺时针，表明本发明产生了模态数l＝+1的OAM波束。
图12展示的是本实施例中提供的可重构轨道角动量天线在右旋圆极化且OAM模态数为-1(状态四)时的电场相位分布情况。电场相位分布图呈涡旋分布，且沿圆周一圈的相位变化量为2π，旋向为逆时针，表明本发明产生了模态数l＝-1的OAM波束。
图13-图14绘制了实施例天线工作在2.5GHz时的归一化方向图，本发明天线为单向辐射天线，可以看出状态一和状态二均为左旋圆极化；
图15-图16绘制了实施例天线工作在2.5GHz时的归一化方向图，本发明天线为单向辐射天线，可以看出状态三和状态四均为右旋圆极化；
本发明实施例提供了一种基于均匀圆形阵列的多模态复合可重构轨道角动量天线。通过改变单元天线上的射频开关的通断状态，可以进一步实现四种OAM模态与圆极化之间的切换。很好的解决了涡旋电磁波重构时性能单一和阵列馈网结构复杂的问题，此外在设计中采用电调方式可大幅度提高复合重构时调节的精度和速度。
Claims (9)
1.电调圆极化复合多模态可重构轨道角动量天线，其特征在于，包括由下至上依次设置的第一介质基板(1)及第二介质基板(2)，所述第二介质基板(2)上方设置有第三介质基板，所述第三介质基板与所述第二介质基板(2)之间间隔有空气层；所述第一介质基板(1)与第二介质基板(2)的形状均为大小相同的正方形；所述第一介质基板(1)的下表面印制有金属馈电网络(8)，所述第一介质基板(1)的上表面印制有与其形状大小相同的正方形的金属地板(6)，所述第二介质基板(2)的上表面印制有四个形状大小相同的圆环形状的金属辐射片(4)，四个所述金属辐射片(4)均匀分布在同一圆周上；所述第三介质基板包括有在同一平面上设置的四个形状大小相同的圆形的第三介质基板单元(3)，四个第三介质基板单元(3)分别位于四个金属辐射片(4)的正上方，四个所述第三介质基板单元(3)与四个所述金属辐射片(4)一一对应设置；每个所述第三介质基板单元(3)的下表面均印制有同样半径的圆形的金属耦合贴片(5)；
还包括有四个馈电探针单元，每个单元包括四个均匀分布的馈电探针，每个馈电探针单元分别由下至上依次贯穿第一介质基板(1)、金属地板(6)、第二介质基板(2)后将金属辐射片(4)与金属馈电网络(8)连接起来，四个馈电探针单元与四个金属辐射片(4)一一对应。
2.根据权利要求1所述的电调圆极化复合多模态可重构轨道角动量天线，其特征在于，所述金属馈电网络(8)包括有四个单元天线馈电网络及一个阵列系统馈电网络(8-1)，四个单元天线馈电网络均与阵列系统馈电网络(8-1)连接；四个单元天线馈电网络与四个金属辐射片(4)一一对应，四个单元天线馈电网络分别位于四个金属辐射片(4)的正下方，每两个相邻的单元天线馈电网络均成镜像对称，一个单元天线馈电网络通过一个馈电探针单元与一个金属辐射片(4)连接。
3.根据权利要求2所述的电调圆极化复合多模态可重构轨道角动量天线，其特征在于，所述单元天线馈电网络包含有一个一分二等幅度同相的第一功分器(15)，所述第一功分器(15)的两个输出端之间焊接有隔离电阻(9)，所述第一功分器(15)的两个输出端端部分别连接有激励相位不同的第一T型单刀双掷开关及第二T型单刀双掷开关；每个馈电探针单元均包括四个馈电探针(7)，所述第一T型单刀双掷开关通过两个馈电探针(7)与金属辐射片(4)连接，所述第二T型单刀双掷开关通过两个馈电探针(7)与金属辐射片(4)连接。
4.根据权利要求3所述的电调圆极化复合多模态可重构轨道角动量天线，其特征在于，所述阵列系统馈电网络(8-1)包括有一个第二功分器(16)，所述第二功分器(16)的两个输出端分别连接有一个第三功分器(17)，每个第三功分器(17)的两个输出端分别与两个单元天线馈电网络的第一功分器(15)连接，所述第二功分器(16)的两个输出端及所述第三功分器(17)的两个输出端均焊接有隔离电阻(9)；第二功分器(16)上的输入端为总馈电端口(10)。
5.根据权利要求3所述的电调圆极化复合多模态可重构轨道角动量天线，其特征在于，所述第一T型单刀双掷开关包括有四个PIN射频开关、一个第一主传输线及设置在第一主传输线一端端部左、右两侧的两个第一分支传输线，所述第一主传输线的另一端与第一功分器(15)的其中一个输出端连接，两个第一分支传输线与第一主传输线端部之间存在间隙，一个间隙设置有一个PIN射频开关；与两个第一分支传输线远离第一主传输线的端部间隔一定间隙处分别设置有一个馈电探针(7)，一个间隙设置有一个PIN射频开关；
所述第二T型单刀双掷开关包括有四个PIN射频开关、一个第二主传输线及设置在第二主传输线一端端部左、右两侧的两个第二分支传输线，所述第二主传输线的另一端与第一功分器(15)的其中一个输出端连接，两个第二分支传输线与第二主传输线端部之间存在间隙，一个间隙设置有一个PIN射频开关；与两个第二分支传输线远离第二主传输线的端部间隔一定间隙处分别设置有一个馈电探针(7)，一个间隙设置有一个PIN射频开关；
与第一分支传输线连接的两个馈电探针(7)所激励的相位相同，与第二分支传输线连接的两个馈电探针(7)所激励的相位相同；与第一分支传输线连接的两个馈电探针(7)所激励的相位滞后与第二分支传输线连接的两个馈电探针(7)所激励的相位90度。
6.根据权利要求3所述的电调圆极化复合多模态可重构轨道角动量天线，其特征在于，所述隔离电阻(9)的阻值为100欧姆。
7.根据权利要求3所述的电调圆极化复合多模态可重构轨道角动量天线，其特征在于，所述第一介质基板(1)采用相对介电常数为3.5、厚度为0.5mm的正方形F4B介质材料，边长为185mm；第二介质基板(2)采用相对介电常数为3.5、厚度为0.5mm的正方形F4B介质材料，边长为185mm；第三介质基板单元(3)的半径为29mm，厚度为1mm的FR4基板。
8.根据权利要求3所述的电调圆极化复合多模态可重构轨道角动量天线，其特征在于，所述金属辐射片(4)为外径为14.5mm，内径为7.4mm的圆环状金属辐射片。
9.根据权利要求5所述的电调圆极化复合多模态可重构轨道角动量天线，其特征在于，每个馈电探针(7)位置距离金属辐射片(4)的圆心11mm。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113178701A (zh) * | 2021-05-14 | 2021-07-27 | 西安电子科技大学 | 一种基于方向图可重构的龙伯透镜馈源天线 |
| CN113809550A (zh) * | 2021-08-23 | 2021-12-17 | 西安理工大学 | 一种复合调控、连续相扫的相控阵天线 |
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2020
- 2020-02-12 CN CN202010089065.3A patent/CN111180882A/zh active Pending
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