CN111613895B - 一种结合Butler矩阵馈电网络的共形OAM天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种结合Butler矩阵馈电网络的共形OAM天线，该共形OAM天线由位于圆柱体内壁一侧的均匀圆阵列及位于另一面的4×4 Butler矩阵馈电网络构成，Butler矩阵基于微带传输线，且由5个定向耦合器、1个交叉结和2个移相器组成；均匀圆阵列由4个柔性的共形矩形贴片组成，其圆柱体母线与贴片辐射边平行并与非辐射边垂直；为尽量减小共形的影响，柔性贴片阵列在平展状态下的尺寸是在非共性结构的基础上通过查表等方法获得。本发明的性能特征是其对圆柱形的适应性、一体化设计以及三模态OAM波的宽带特点；在不增加额外开关的情形下，该发明具有简单切换3种模态的OAM波的能力。

Description

一种结合Butler矩阵馈电网络的共形OAM天线
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种结合Butler矩阵馈电网络的共形OAM天线。
背景技术
携带轨道角动量(OAM)的涡旋波可以提高频谱效率，其相应的天线系统能够满足无线网络中持续增长的通讯容量需求。
均匀圆阵列(UCA)天线是产生OAM波的一种方法，通过改变阵元之间馈电的相位差关系，就可以产生不同OAM模式的电磁波。共形天线是非平面天线，其剖面与载体外形保持一致。设计与飞机、列车等高速载体结合的共形天线，能够在不影响载体空气动力学等特性的条件下有效利用空间。
Butler网络是一种具有多输入端口多输出端口的无源等功率分配网络。在不同的输入射频信号下，其输出会是相位差不同的等幅输出信号。
当前，作为信息互联时代，无线通信的业务需求日益增长，各种提升频谱利用效率的无线电技术应运而生。但是存在天线在竖直方向占用空间大，共形载体的空间利用率低的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结合Butler矩阵馈电网络的共形OAM天线，提高空间利用率，生成3种模态的涡旋波。
实现本发明目的的技术方案为：一种结合Butler矩阵馈电网络的共形OAM天线，由附着在圆柱体内壁一侧的均匀圆阵列和位于另一侧的4×4Butler矩阵馈电网络组成；所述均匀圆阵列包括4个柔性矩形贴片；所述的Butler矩阵馈电网络由5个定向耦合器、1个交叉结、2个对称分布的30°微带移相器、4个输入端口以及4个输出端口组成；其中，4个输出端口连接天线阵列的馈电端口。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明应用共形结构，减少天线在竖直方向占用的空间大小，增加了共形载体的空间利用率；激励Butler矩阵馈电网络不同输入端口，输出端口会产生固定相位差的等幅信号，在不增加额外开关的情况下，Butler矩阵馈电网络可产生不同模态的涡旋波。
附图说明
图1为共形天线结构示意图。
图2为本发明所述4×4的结构示意图。
图3为共形天线矩阵馈电网络的示意图。
具体实施方式
一种结合Butler矩阵馈电网络的共形OAM天线，由附着在圆柱体内壁一侧的均匀圆阵列和位于另一侧的4×4Butler矩阵馈电网络组成；所述均匀圆阵列包括4个柔性矩形贴片；所述的Butler矩阵馈电网络由5个定向耦合器、1个交叉结、2个对称分布的30°微带移相器、4个输入端口以及4个输出端口组成；其中，4个输出端口连接天线阵列的馈电端口。
进一步的，圆柱体母线与柔性矩形贴片的贴片辐射边平行，并与非辐射边垂直。柔性矩形贴片的尺寸是根据共形弯度通过查表方式获得。
进一步的，所述4×4Butler矩阵馈电网络刻蚀在同一块印刷电路板。
进一步的，所述定向耦合器为3dB定向耦合器。
进一步的，所述Butler矩阵馈电网络输出端口和贴片馈电点之间，采用4个具有相同损耗和相移的蛇形微带传输线，其线宽相同且电长度相等。
进一步的，所述均匀圆阵列的馈电端口分别激励矩阵馈电网络的第一输入端口1和第四输入端口4可以产生模式1和模式-1的涡旋电磁波，同时激励第二输入端口2和第三输入端口3可以产生模式为0的涡旋电磁波。
进一步的，第一定向耦合器、第二定向耦合器、第三定向耦合器的输入端与矩阵馈电网络四个输入端口连接，第二定向耦合器的输出端连接交叉结的第一输入端和第一移相器的输入端，第三定向耦合器的输出端连接交叉结的第二输入端和第二移相器的输入端，第一移相器的输出端和交叉结的第一输出端连接第四定向耦合器的输入端，第二移相器的输出端和交叉结的第二输出端连接第五定向耦合器的输入端，第四定向耦合器、第五定向耦合器的输出端为网络的四个输出端口。
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例
由图1所示，天线阵列附着在共形载体的内侧，由4个柔性材料的矩形贴片构成。贴片的辐射边与圆柱载体的母线平行。对于不同的载体半径，贴片的尺寸按照查表等方式重新获得。
由图2所示，本发明提供了一种4×4Butler矩阵包括4个输入端口，4个输出端口，5个3dB定向耦合器，2个上下对称的30°相移特性的移相器，以及1个交叉结。
第一定向耦合器51、第二定向耦合器52、第三定向耦合器53的输入端是矩阵馈电网络输入端口1至4，第二定向耦合器52、第三定向耦合器53的输出端分别连接交叉结7和第一移相器61、第二移相器62的输入端，而第一移相器61、第二移相器62和交叉结7的输出端分别连接第四定向耦合器54、第五定向耦合器55的输入端。第四定向耦合器54、第五定向耦合器55的输出端为网络的四个输出端口。
由图3所示，为了方便馈电，用相同电长度和相位的微带线把天线阵列的馈电端口引到同一列分布的输出端口与其相连接，分别激励矩阵馈电网络的第一输入端口1和第四输入端口4产生模态1和模式-1的涡旋电磁波，同时激励矩阵馈电网络的第二输入端口2和第三输入端口3产生模态0的涡旋电磁波。

Claims (4)

1.一种结合Butler矩阵馈电网络的共形OAM天线，其特征在于，由附着在圆柱体内壁一侧的均匀圆阵列和位于另一侧的4×4 Butler矩阵馈电网络组成；所述的均匀圆阵列是4个柔性矩形贴片，所述柔性矩形贴片，其贴片辐射边与圆柱体母线平行，柔性矩形贴片的尺寸是根据共形弯度通过查表方式获得；所述的Butler矩阵馈电网络由5个定向耦合器、1个交叉结、2个对称分布的30°微带移相器、4个输入端口以及4个输出端口组成；其中，4个输出端口连接天线阵列的馈电端口，所述5个定向耦合器中第一定向耦合器、第二定向耦合器、第三定向耦合器的输入端与矩阵馈电网络四个输入端口连接，第二定向耦合器的输出端连接交叉结的第一输入端和第一移相器的输入端，第三定向耦合器的输出端连接交叉结的第二输入端和第二移相器的输入端，第一移相器的输出端和交叉结的第一输出端连接第四定向耦合器的输入端，第二移相器的输出端和交叉结的第二输出端连接第五定向耦合器的输入端，第四定向耦合器、第五定向耦合器的输出端为馈电网络的四个输出端口，所述均匀圆阵列的馈电端口分别激励矩阵馈电网络的第一输入端口（1）和第四输入端口（4）产生模式1和模式-1的涡旋电磁波，同时激励第二输入端口（2）和第三输入端口（3）产生模式为0的涡旋电磁波。
2.根据权利要求1所述的结合Butler矩阵馈电网络的共形OAM天线，其特征在于，所述4×4 Butler矩阵馈电网络刻蚀在同一块印刷电路板。
3.根据权利要求1所述的结合Butler矩阵馈电网络的共形OAM天线，其特征在于，所述由5个定向耦合器为3dB 定向耦合器，2个微带移相器为30°微带移相器。
4.根据权利要求1所述的结合Butler矩阵馈电网络的共形OAM天线，其特征在于，所述Butler矩阵馈电网络输出端口和贴片馈电点之间，采用4个具有相同损耗和相移的蛇形微带传输线,其线宽相同且电长度相等。
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