CN111293422A - 一种基于弯曲波导部分开缝产生oam模式群组的天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于弯曲波导部分开缝产生OAM模式群组的天线，该天线包括波导馈口、第一渐变波导、第二渐变波导、波导匹配负载端口以及弯曲波导；所述弯曲波导的两端分别与第一渐变波导、第二渐变波导的一端连接，所述第一渐变波导的另一端与波导馈口连接，所述第二渐变波导的另一端与波导匹配负载端口连接。该天线所产生的OAM模群呈现出能量集中的高增益波束且在波束的主瓣范围内仍具有螺旋相位分布，相位线性度较好，等效OAM阶数高，解决了难以产生多个连续的高阶OAM模态并将其叠加成OAM模群的问题，更具工程实现的可行性。具有高等效OAM阶数的OAM模群能在无线视距MIMO通信系统中实现更远的传输距离和更高的频谱效率。

Description

一种基于弯曲波导部分开缝产生OAM模式群组的天线
技术领域
本发明属于射频OAM波束产生领域，具体地涉及一种基于弯曲波导部分开缝产生OAM模式群组的天线。
背景技术
作为电磁波的固有属性，具有螺旋相位分布的轨道角动量波束被认为是一个可以利用的新自由度。近十年，OAM已衍生出许多潜在应用。除了在光通信和射频通信系统的复用传输，OAM也被应用于纳米技术、量子信息技术和雷达计算成像等领域。但在实际的应用中，OAM波束呈现出“甜甜圈式”的强度剖面，在射频域尤为明显。由于存在固有的发散特性和中心相位奇点，随着传播距离的增大，“甜甜圈式”的强度剖面也不断增大。对于雷达探测和无线通信系统，在接收端想要整圈接收OAM波束是非常困难的。部分弧采样接收机制可能是个解决该问题的办法，但是这种机制需要依据特定的OAM模态、在特定的接收口径下才能进行正交接收，难以广泛地使用。另一种方法是通过透镜汇聚波束，但这种方法在本质上没有改变OAM波束的形状，超过一定传播距离，其仍会不断发散造成接收困难的问题。
为减少大接收口径所带来的影响，构造并产生一种局部具有螺旋相位波前(沿方位角向相位呈线性分布)的高增益波束是非常必要的，OAM模式群组提供了一种可行方法。OAM模群已被证明是一种基于场本征模叠加的波束赋形方法，能实现方位角向的波束多样性，OAM模群具有三个新颖的波束特征：方向性、涡旋性以及主瓣的准正交特性。理论上说，若拥有足够多可用的OAM模态，可以构造具有任意方位角向分布的电磁波束。OAM模群已被用于MIMO通信系统和低截获通信系统。对于视距MIMO系统，具有高等效OAM阶数的OAM模群可以实现更远的有效通信距离，这里等效OAM阶数le表征了模群主瓣内的相位斜率，即描述了模群的涡旋性。
目前，构造OAM模群的方法是先产生多个OAM波束再将它们叠加为一个模群，对于构造低le的模群是可行的。但对于构造高le的模群，同样的方法是十分困难的。本发明所提出的方法可以解决难以产生多个连续的高阶OAM模态并将其叠加成OAM模群的问题，更具工程实现的可行性。OAM模群的波束特性对于下一代无线通信系统和未来雷达探测定位系统具有非常重要科学研究和工程应用价值。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种基于弯曲波导部分开缝产生OAM模式群组的天线，该天线中涉及一种弯曲波导漏波天线结构，可被视为能产生射频单模OAM波束的环形行波天线的一部分，所产生的高等效OAM阶数的OAM模群可实现远距离通信、雷达测速等多种应用。
本发明解决技术问题所采取技术方案为：一种基于弯曲波导部分开缝产生OAM模式群组的天线，所述天线包括波导馈口、第一渐变波导、第二渐变波导、波导匹配负载端口以及弯曲波导；所述弯曲波导的两端分别与第一渐变波导、第二渐变波导的一端连接，所述第一渐变波导的另一端与波导馈口连接，所述第二渐变波导的另一端与波导匹配负载端口连接。
所述弯曲波导的顶部沿波的传播方向上具有缝隙，该缝隙的缝宽中心偏离弯曲波导剖面宽边的中心，缝宽为hs，缝的弧长所对应的角度为
Figure BDA0002387653160000023
所述弯曲波导的工作模式为TE10，弯曲波导的剖面宽边aw小于TE10下工作频率所对应的自由空间波长λ0，大于λ0/2；弯曲波导的剖面窄边bw小于aw。TE10模的波导波长λg满足：
Figure BDA0002387653160000021
弯曲波导的内径ri满足：
Figure BDA0002387653160000022
进一步地，所述波导馈口包括但不限于同轴转标准波导法兰盘，所述波导馈口的尺寸设计成工作频段的标准波导尺寸。
进一步地，所述波导匹配负载端口包括但不限于波导匹配负载法兰盘，所述波导匹配负载端口的尺寸设计成工作频段的标准波导尺寸。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：本发明针对难以产生多个连续的高阶OAM模态并将其叠加成OAM模群的问题，提供一种基于弯曲波导部分开缝产生OAM模式群组的天线，该天线中涉及一种弯曲波导的漏波天线结构，可以直接产生高阶OAM模式群组，而不是先产生多个连续的高阶OAM模态再叠加成模式群组。部分开缝是对单模OAM波束剖面进行方位角向的限制，OAM模态和方位角满足傅里叶变换关系，角向限制会改变OAM谱分布，即在中心模态两侧产生OAM的边带，所有OAM谱分量构成了OAM模式群组。该天线能产生OAM模群是一种主瓣内具有螺旋相位分布的高增益波束，该天线对于产生高le的OAM模群更有工程上的可行性，对于无线通信和雷达探测系统具有突出意义。
附图说明
图1是本发明中基于弯曲波导部分开缝的漏波天线结构示意图；
图2是本发明中一个用于同时产生OAM模群le＝±40的天线实例；
图3是本发明中用于同时产生OAM模群le＝±40的天线的细节图示；
图4是本发明中OAM模群le＝40的S参数，即反射参数和传输参数；
图5是本发明中OAM模群le＝±40在球坐标系下的三维方向图：图5a为le＝40，图5b为le＝-40；
图6是本发明中OAM模群le＝±40在θ＝24°平面内，它们方位角向的方向图以及主瓣内的线性相位分布：图6a为方向图，图6b为le＝40主瓣内相位分布，图6c为le＝-40主瓣内相位分布；
图7是本发明中OAM模群le＝±40的OAM谱分量：图7a为le＝40，图7b为le＝-40。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述。
如图1-3为本发明漏波天线结构示意图，所述天线包括波导馈口1、第一渐变波导2、第二渐变波导3、波导匹配负载端口4以及弯曲波导5；所述弯曲波导5的两端分别与第一渐变波导2、第二渐变波导3的一端连接，所述第一渐变波导2的另一端与波导馈口1连接，所述第二渐变波导3的另一端与波导匹配负载端口4连接，使得波导馈口1和弯曲波导5相匹配，波导匹配负载端口4和弯曲波导5相匹配。
所述弯曲波导5的顶部沿波的传播方向上具有缝隙，实现对电流线的切割，实现漏波辐射。该缝隙的缝宽中心偏离弯曲波导剖面宽边的中心，以切割电流线实现漏波辐射；缝宽为hs，缝的弧长所对应的角度为
Figure BDA0002387653160000033
剖面窄边为bw，弯曲波导5的弧长所对应的角度为
Figure BDA0002387653160000034
所述弯曲波导5的工作模式为TE10，弯曲波导5的剖面宽边aw小于TE10下工作频率所对应的自由空间波长λ0，大于λ0/2，因为要工作在TE10模弯曲波导5可被视为能产生单模l阶OAM波束的环形行波天线的一部分，弯曲波导5的剖面窄边bw小于aw。能产生单模l阶OAM波束的环形行波天线的周长需满足lλg，TE10模的波导波长λg满足：
Figure BDA0002387653160000031
弯曲波导5的内径ri满足：
Figure BDA0002387653160000032
使得弯曲波导5所对应的环形行波天线的周长为lλg，行波的相位变化为2πl。弧形弯曲波导的内径与环形行波天线的内径相同。能量从波导馈口1馈入，经过第一渐变波导2，在弯曲波导5中形成行波，通过部分开缝实现漏波辐射，产生OAM模式群组。行波在终端先经过第二渐变波导3，再与端接的波导匹配负载端口4实现终端匹配。所述天线结构中用于漏波的弯曲波导5内部形成行波，OAM模群的等效OAM阶数le的正负与行波方向有关。所述天线结构能直接产生高le的OAM模群，模群具有高增益特性，其主瓣具有线性的相位分布。这里等效OAM阶数le表征了模群主瓣内的相位斜率，即描述了模群的涡旋性。
所述波导馈口1用于馈入能量，包括但不限于同轴转标准波导法兰盘，所述波导馈口1的尺寸设计成工作频段的标准波导尺寸，所述波导匹配负载端口4包括但不限于波导匹配负载法兰盘，所述波导匹配负载端口4的尺寸设计成工作频段的标准波导尺寸，设计成标准尺寸是为了实现天线的兼容性。
实施例
如图2-3，在本实施例中产生OAM模群的等效OAM阶数le＝±40，工作频率为60GHz，仿真软件为商用全波仿真软件CSTStudioSuite 2018。弯曲波导剖面的宽边为2.8mm，弯曲波导剖面的窄边为0.68mm，弯曲波导内径为78.60mm，弯曲波导弧长所对应的角度为90°。波导馈口/波导匹配负载端口依据60GHz标准波导尺寸WR-15进行设计。开缝缝宽为0.70mm，缝的弧长对应的角度为40°。
图4是OAM模群le＝40的S参数。OAM模群等效OAM阶数le的正负仅和行波方向有关。由于两个弯曲波导设计尺寸、开缝位置、缝宽均一致，S参数表现几乎一致，本例只给出le＝40的S参数。由于是一个行波结构，高于截止频率的波均可在弯曲波导内传播，在目标工作频段60GHz，反射系数较低。
图5是OAM模群le＝±40在球坐标系下的三维方向图。图5a描述了OAM模群le＝40的发散角、θ向的3dB波束宽度、方向性和辐射效率分别为24.5°、5.6°、15.67dBi以及85％。图5b描述了OAM模群le＝-40的相关参数分别为24.7°、5.5°、15.7dBi以及85％。两者主瓣内的强度分布基本一致，但相位分布截然不同。
图6是OAM模群le＝±40在θ＝24°平面内方位角向的方向图以及主瓣内的线性相位分布。OAM模群在主瓣内继承了传统OAM波束的涡旋性。如图6b和6c沿方位角向变化9°，相位变化一个周期，可得等效OAM阶数为±40，相位线性度良好。如图6a所示，OAM模群le＝40的主瓣方向性、主瓣指向以及
Figure BDA0002387653160000041
向的3dB波束宽度分别为15.7dBi、47°以及44.6°。如图6a所示，OAM模群le＝-40的相关参数为15.6dBi、43°以及47.5°。
图7是本实施例中OAM模群le＝±40的OAM谱分量。图7a为OAM模群le＝40的OAM谱分量主要集中在l＝35至l＝45之间，权重值围绕中心模态l＝40呈现准对称分布。图7b中OAM模群le＝-40也展现出相同OAM谱分布。

Claims (3)

1.一种基于弯曲波导部分开缝产生OAM模式群组的天线，其特征在于：所述天线包括波导馈口(1)、第一渐变波导(2)、第二渐变波导(3)、波导匹配负载端口(4)以及弯曲波导(5)；所述弯曲波导(5)的两端分别与第一渐变波导(2)、第二渐变波导(3)的一端连接，所述第一渐变波导(2)的另一端与波导馈口(1)连接，所述第二渐变波导(3)的另一端与波导匹配负载端口(4)连接。
所述弯曲波导(5)的顶部沿波的传播方向上具有缝隙，该缝隙的缝宽中心偏离弯曲波导剖面宽边的中心，缝宽为hs，缝的弧长所对应的角度为
Figure FDA0002387653150000011
所述弯曲波导(5)的工作模式为TE10，弯曲波导(5)的剖面宽边aw小于TE10下工作频率所对应的自由空间波长λ0，大于λ0/2；弯曲波导(5)的剖面窄边bw小于aw。TE10模的波导波长λg满足：
Figure FDA0002387653150000012
弯曲波导(5)的内径ri满足：
Figure FDA0002387653150000013
2.根据权利要求1所述天线，其特征在于：所述波导馈口(1)包括但不限于同轴转标准波导法兰盘，所述波导馈口(1)的尺寸设计成工作频段的标准波导尺寸。
3.根据权利要求1所述天线，其特征在于：所述波导匹配负载端口(4)包括但不限于波导匹配负载法兰盘，所述波导匹配负载端口(4)的尺寸设计成工作频段的标准波导尺寸。
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