CN111916893A - 一种双频双极化多功能轨道角动量天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双频双极化多功能轨道角动量天线，包括馈源、介质基板及金属地板，所述金属地板设置在介质基板的下方，介质基板上表面设置呈周期性排列的辐射单元构成电磁超表面，所述馈源设置在介质基板的上方，馈源照射电磁超表面并在馈源上方形成多个涡旋波束，所述辐射单元为环形结构，所述环形结构内嵌圆环，所述内嵌圆环带有枝节。本发明提供的双频双极化多功能轨道角动量天线，具有多功能的特点，即可产生多涡旋波束、多轨道角动量模式、多辐射方向，同时本发明具有平面化、单层结构、易加工、高增益、高口径效率的优点。

Description

一种双频双极化多功能轨道角动量天线
技术领域
本发明涉及微波天线领域，具体涉及一种双频双极化多功能轨道角动量天线。
背景技术
2019年6月6日，工信部向中国移动、联通、电信及广电发放了5G商用牌照，标志着中国正式步入了5G商用时代。伴随着用户设备的激增以及物联网等技术的快速发展，可利用的频谱资源变得愈发的紧缺，进一步的提升通信容量与频谱效率成为重中之重。此时，轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)技术作为一种新的复用技术，引起了人们极大的关注。由于具有螺旋相位分布的电磁波携带轨道角动量，且不同模态的涡旋波之间具有相互正交性，而理论上OAM模式可以取任意的实数，所以将OAM的每个模式都作为编码、传输和接收的独立信息通道，有望大幅提高系统的传输速率和容量。其中，电磁涡旋波的产生也成为重要的研究课题。
目前，在射频微波波段，常见的产生OAM涡旋波的方法有：螺旋相位板天线、圆形阵列天线、介质谐振器、环形行波天线、人工电磁超表面天线。螺旋相位板天线有着体积大、不易加工的缺点。圆形阵列通过需要复杂的馈电网络，介质谐振器及环形行波天线通常具有较低的增益，且形成的OAM模式单一。此时，人工电磁超表面由于具有易加工、增益高、可以任意调控电磁波等优点，引起了研究者的极大兴趣。
现阶段可形成OAM涡旋波的人工电磁超表面仅能工作在单一的频段，并且仅能形成单一涡旋波束。而具有多波束、多模式、多辐射方向的多功能轨道角动量天线在点对点通信、卫星通信中具有更广阔的应用前景。在目前的OAM天线中，少有设计可实现多功能涡旋波的形成。
发明内容
为克服现有技术存在的不足，本发明提供一种双频双极化多功能轨道角动量天线，其能够工作在双频段，且可形成多波束、多模式、多辐射方向的多功能涡旋波束。
本发明所采用的技术方案如下：
一种双频双极化多功能轨道角动量天线，包括馈源、介质基板及金属地板，所述金属地板设置在介质基板的下方，介质基板上表面设置呈周期性排列的辐射单元构成电磁超表面，所述馈源设置在介质基板的上方，馈源照射电磁超表面并在馈源上方形成多个涡旋波束，所述辐射单元为环形结构，所述环形结构内嵌圆环，所述内嵌圆环带有枝节。
优选的，环形结构为对称形状，数量为一个，具体为方环或圆环
优选的，所述枝节为圆弧形或L型。
优选的，内嵌圆环的数量为2个以上。
优选的，所述馈源为喇叭天线或微带天线。
优选的，所述介质基板与金属地板之间设置空气层间隔。
优选的，呈周期性排列的辐射单元构成矩形、圆形及多边形结构。
优选的，辐射单元在不同位置的枝节长度与其在工作频率上产生该位置所需的相位有关。
优选的，带有枝节的嵌套圆环分别谐振于不同频率，且相互无耦合。
优选的，辐射单元的相位补偿公式为
Figure BDA0002575448320000021
式中
Figure BDA0002575448320000022
表示所述辐射单元的位置坐标，
Figure BDA0002575448320000023
表示涡旋波束的方向，l表示产生的涡旋波的模式数，m表示波束的个数。
本发明的有益效果：
(1)本天线可以工作在两个频段，本实施例的轨道角动量天线可同时工作在10GHz及20GHz两个频段。
(2)本天线具有多功能，即可形成多涡旋波束、多OAM模式、多辐射方向，根据辐射单元相位补偿的不同，实现多功能。
(3)本发明的辐射单元具有大的调相范围，在10GHz时调相范围达425°，在20GHz时，调相范围达436°。
(4)本发明的轨道角动量天线具有高增益(10GH达15.4dBi，20GHz达20.3dBi),高口径效率(10GH达13.53％，20GHz达10.33dBi)，小发散角(10GH为7.5°，20GHz为6°)，平面化结构，易加工等优点。
附图说明
图1是本发明实施例1的三维视图；
图2是本发明实施例1的辐射单元尺寸示意图；
图3是本发明实施例1的辐射单元在10GHz的相移曲线图；
图4是本发明实施例1的辐射单元在20GHz的相移曲线图；
图5是本发明实施例1的电磁超表面外圆环枝节的相位补偿图；
图6是本发明实施例1的电磁超表面内圆环枝节的相位补偿图；
图7是本发明实施例1的天线在10GHz的远场方向图；
图8是本发明实施例1的天线在20GHz的远场方向图；
图9是本发明实施例2的电磁超表面外圆环枝节的相位补偿图；
图10是本发明实施例2的电磁超表面内圆环枝节的相位补偿图；
图11是本发明实施例2的天线在10GHz的远场方向图；
图12是本发明实施例2的天线在20GHz的远场方向图；
图13是本发明实施例3的电磁超表面外圆环枝节的相位补偿图；
图14是本发明实施例3的电磁超表面内圆环枝节的相位补偿图；
图15是本发明实施例3的天线在10GHz的远场方向图；
图16是本发明实施例3的天线在20GHz的远场方向图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1所示，一种双频双极化多功能轨道角动量天线，包括馈源2、介质基板3及金属地板5，所述金属地板位于介质基板下方，与介质基板的距离为3mm。所述介质基板的上表面设置辐射单元4，N个辐射单元周期性排列构成电磁超表面，馈源照射电磁超表面，在馈源的上方形成多个涡旋波束1，所述辐射单元为环形结构，所述环形结构内嵌圆环，所述内嵌圆环带有枝节。图1中环形结构为方环，辐射单元中的方环用来去除周期排列的单元之间的耦合，具有调相功能的辐射单元中带有枝节的嵌套圆环用来工作于双频双极化，每个圆环及所附的枝节都可独立工作于一个频率与极化，并通过变化枝节的角度来产生所需的相移；所述金属地板与超表面之间有空气层，用来减小电磁超表面的相移敏感度。
所述馈源为喇叭天线或微带天线，本实施例优选为喇叭天线。
所述辐射单元为环形结构，可以根据具体情况选择其他对称形状，环形为方环或圆环，数量为一个，带有枝节的嵌套圆环为2个以上。
本实施例优选为嵌套圆环为2个，两个嵌套圆环间隔一定距离，外圆环的两个枝节设置在竖直直线上，内圆环的两个枝节设置在水平直线上。
所述枝节形状可为圆弧形、L型，枝节的长度可调整。
辐射单元在不同位置上的枝节长度不同，使其在工作频率上产生该位置所需的相位。
所述辐射单元的相位与多个因素相关，一是辐射单元在所述介质基板的上表面的位置相关，二是涡旋波束的数量、模式数、方向。
Figure BDA0002575448320000041
束的方向，l表示产生的涡旋波的模式数，m表示波束的个数。
如图2所示，本实施例的优选尺寸为：
本实施例中介质基板3选用介电常数为2.25的F4B材料，厚度为0.55mm。参阅图2，辐射单元的尺寸为D1＝D2＝9.6mm,L1＝0.35mm,L2＝0.3mm,W1＝0.45mm,W2＝0.4mm,a1＝3.3mm,a2＝3mm,b1＝0.2mm,b2＝0.1mm,r1＝1.11mm,r2＝1mm,ag1＝3°～176°,ag2＝3°～176°。
参阅图3，在10GHz，利用x极化波入射辐射单元，外圆环枝节角度ag2从3°到176°连续变化，对应相移覆盖范围为425°，此时取ag1为任意值时，以ag2为功能函数的相移曲线均重合(取3°、63°、123°、153°为例)，表明内圆环枝节的变化对10GHz的调相无影响。
参阅图4，在20GHz，利用y极化波入射辐射单元，内圆环枝节角度ag1从3°到176°连续变化，对应相移覆盖范围为436°，此时取ag2为任意值时，以ag1为功能函数的相移曲线均重合(取3°、63°、123°、153°为例)，表明外圆环枝节的变化对20GHz的调相无影响。此外，曲线的幅度值均接近1，表明单元具有良好的反射特性。
如图1中，介质基板上表面设置16×16个辐射单元周期性排列，根据公式
Figure BDA0002575448320000042
计算出需要不同波束数量、模式数、辐射方向时，每个辐射单元需要的相位补偿。
本实施例中外圆环枝节的角度参阅图5进行补偿，内圆环枝节的角度参阅图6进行补偿，得到本实施例的电磁超表面。
参阅图7，设置工作频率为10GHz，使用x极化的馈源喇叭照射超表面，得到本实施例在10GHz的远场方向图。由远场方向图可知，本实施例的轨道角动量天线在10GHz形成了2个OAM涡旋波束，涡旋波的模式数和方向分为为：(l1＝1,θ1＝30°,
Figure BDA0002575448320000051
)、(l2＝1,θ2＝-30°,
Figure BDA0002575448320000052
)。参阅图8，设置工作频率为20GHz，使用y极化的馈源喇叭照射超表面，得到本实施例在20GHz的远场方向图。由远场方向图可知，本实施例的轨道角动量天线在20GHz形成了2个OAM涡旋波束，涡旋波的模式数和方向分别为：(l1＝1,θ1＝30°,
Figure BDA0002575448320000053
)、(l2＝1,θ2＝-30°,
Figure BDA0002575448320000054
)。
由此可见，本发明的一种双频双极化多功能轨道角动量天线，可同时工作在10GHz和20GHz两个频段，且两个频段对应两个垂直的极化。同时，轨道角动量天线具有多功能，即可形成多波束、多模式、多辐射方向的涡旋波。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于辐射单元补偿的相位不同，其它与实施例1相同。本实施例中外圆环枝节的角度参阅图9进行补偿，内圆环枝节的角度参阅图10进行补偿，得到本实施例的电磁超表面。
参阅图11，设置工作频率为10GHz，使用x极化的馈源喇叭照射超表面，得到本实施例在10GHz的远场方向图。由远场方向图可知，本实施例的轨道角动量天线在10GHz形成了1个OAM涡旋波束，涡旋波的模式数和方向分别为：(l1＝1,θ1＝0°,
Figure BDA0002575448320000055
)。参阅12，设置工作频率为20GHz，使用y极化的馈源喇叭照射超表面，得到本实施例在20GHz的远场方向图。由远场方向图可知，本实施例的轨道角动量天线在20GHz形成了4个OAM涡旋波束，涡旋波的模式数和方向分别为：(l1＝1,θ1＝30°,
Figure BDA0002575448320000056
),(l2＝1,θ2＝-30°,
Figure BDA0002575448320000057
),(l3＝1,θ3＝30°,
Figure BDA0002575448320000059
Figure BDA00025754483200000510
),and(l4＝1,θ4＝-30°,
Figure BDA0002575448320000058
)。
实施例3
本实施例与实施例1的不同之处在于辐射单元补偿的相位不同，其它与实施例1相同。本实施例中外圆环枝节的角度参阅图13进行补偿，内圆环枝节的角度参阅图14进行补偿，得到本实施例的电磁超表面。
参阅图15，设置工作频率为10GHz，使用x极化的馈源喇叭照射超表面，得到本实施例在10GHz的远场方向图。由远场方向图可知，本实施例的轨道角动量天线在10GHz形成了1个OAM涡旋波束，涡旋波的模式数和方向分别为：(l1＝1,θ1＝30°,
Figure BDA00025754483200000511
)。参阅16，设置工作频率为20GHz，使用y极化的馈源喇叭照射超表面，得到本实施例在20GHz的远场方向图。由远场方向图可知，本实施例的轨道角动量天线在20GHz形成了2个OAM涡旋波束，涡旋波的模式数和方向分别为：(l1＝1,θ1＝-30°,
Figure BDA00025754483200000512
)和(l2＝2,θ2＝30°,
Figure BDA00025754483200000513
)。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双频双极化多功能轨道角动量天线，其特征在于，包括馈源、介质基板及金属地板，所述金属地板设置在介质基板的下方，介质基板上表面设置呈周期性排列的辐射单元构成电磁超表面，所述馈源设置在介质基板的上方，馈源照射电磁超表面并在馈源上方形成多个涡旋波束，所述辐射单元为环形结构，所述环形结构内嵌圆环，所述内嵌圆环带有枝节。
2.根据权利要求1所述的一种双频双极化多功能轨道角动量天线，其特征在于，环形结构为对称形状，数量为一个，具体为方环或圆环。
3.根据权利要求1所述的一种双频双极化多功能轨道角动量天线，其特征在于，所述枝节为圆弧形或L型。
4.根据权利要求1所述的一种双频双极化多功能轨道角动量天线，其特征在于，内嵌圆环的数量为2个以上。
5.根据权利要求1所述的一种双频双极化多功能轨道角动量天线，其特征在于，所述馈源为喇叭天线或微带天线。
6.根据权利要求1所述的一种双频双极化多功能轨道角动量天线，其特征在于，所述介质基板与金属地板之间设置空气层间隔。
7.根据权利要求1所述的一种双频双极化多功能轨道角动量天线，其特征在于，呈周期性排列的辐射单元构成矩形、圆形及多边形结构。
8.根据权利要求1所述的一种双频双极化多功能轨道角动量天线，其特征在于，辐射单元在不同位置的枝节长度与其在工作频率上产生该位置所需的相位有关。
9.根据权利要求1所述的一种双频双极化多功能轨道角动量天线，其特征在于，带有枝节的嵌套圆环分别谐振于不同频率，且相互无耦合。
10.根据权利要求1所述的一种双频双极化多功能轨道角动量天线，其特征在于，辐射单元的相位补偿公式为
Figure FDA0002575448310000011
式中
Figure FDA0002575448310000012
表示所述辐射单元的位置坐标，
Figure FDA0002575448310000013
表示涡旋波束的方向，l表示产生的涡旋波的模式数，m表示波束的个数。
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