CN112701486B - 一种产生具有梳状模态谱的涡旋波的双臂立体螺旋天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种产生具有梳状模态谱的涡旋波的双臂立体螺旋天线，属于天线技术移动无线通信技术领域。该天线包括介质基板、覆盖于介质基板下表面的金属接地板、位于介质基板上表面的馈电结构、以及立体对称设置且半径逐渐增大的双臂立体螺旋金属线。本发明的螺旋金属线的半径线性增大，当螺旋周长是波长的整数倍时，该螺旋区域能产生对应的单一模态的涡旋波，而当螺旋周长不断变化时，会有相邻模式的存在，从而在单个频点上同时产生多个模态叠加的涡旋波，并且这些叠加的模态成等间隔分布，形成一个梳状的模态谱图，从而可以进一步地提升所产生波的自由度与复杂度。

Description

一种产生具有梳状模态谱的涡旋波的双臂立体螺旋天线
技术领域
本发明属于天线技术移动无线通信技术领域，具体涉及一种产生具有梳状模态谱的涡旋波的单端口馈电的双臂立体螺旋天线，可用于单个频点下同时产生多个模态叠加的涡旋电磁波，并且这些叠加的模态成等间隔分布，形成一个梳状的模态谱图。
背景技术
近年来，轨道角动量(OAM:Orbital Angular Momentum)由于其模式的无限性及模式之间的正交性，得到了大量科研人员的广泛关注及深入研究。角动量是由自旋角动量以及轨道角动量两个部分组成，其中轨道角动量与波束空间相位分布相关，1992年，荷兰物理学家Allen等人发现了具有螺旋型波前结构exp
Figure BDA0002820815200000011
的光束首次分析了涡旋光束的轨道角动量特性，并在“Orbital angular momentum of light and transformation ofLaguerre Gaussian Laser modes”一文中指出理论上OAM具有无限多个状态，且不同的OAM态之间相互正交，因此，科研人员认为其在射频段无线通信系统中可以起到扩大信道容量的作用。携带轨道角动量的电磁波称之为涡旋波。与之对应的涡旋电磁波技术作为一种新的复用技术，使得多路信号可以在相同频率进行同轴传输，将其应用于射频领域显示了其广阔的前景。此外，它在雷达目标成像方面也有相当大的潜力。
2017年，在“Broadband Generation of Orbital Angular Momentum CarryingBeams in RF Regimes”一文中利用单臂阿基米德平面螺旋天线产生了涡旋电磁波，但天线体积较大。2019年，郭忠义课题组在“Generation of Continuously Variable-ModeVortex Electromagnetic Waves With Three-Dimensional Helical Antenna”中利用单臂立体螺旋天线在三个频点下分别产生了三种模态的涡旋电磁波，但在单个频点下激励的涡旋电磁波模态单一。2018年，郭忠义课题组在“Generation of Multi-mode VortexElectromagnetic Waves Based on Helical Antenna”中利用四个同轴排列的螺旋天线在单个频点下产生了四种模态的涡旋电磁波，但需要四个馈电端口，馈电结构复杂。之后，该团队采用了具有对称结构的双臂螺旋天线来提高产生的涡旋波的模式纯度，但所产生的模态还是单一的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种产生具有梳状模态谱的涡旋波的双臂立体螺旋天线，在单个频点下同时产生多个模态叠加的涡旋电磁波，形成一个梳状的模态谱图，从而可以进一步地提升所产生波的自由度与复杂度，有助于进一步拓展涡旋波的应用前景。
本发明通过以下技术方案来实现：
一种产生具有梳状模态谱的涡旋波的双臂立体螺旋天线，包括介质基板(1)、覆盖于介质基板下表面的金属接地板(2)、位于介质基板上表面的馈电结构(5～8)、以及双臂立体螺旋金属线(3、4)。
所述双臂立体螺旋金属线(3、4)包括立体对称设置且半径逐渐增大的两根螺旋金属线。
所述馈电结构(5～8)包括位于介质基板中心的集总端口(8)、以及集总端口(8)两侧对称设置的两段微带线；两段微带线的输出端口相位相差180°、分别连接两根螺旋金属线的起始端。
进一步地，所述两段微带线均包括一段直线微带线、以及一段90°圆弧微带线，其中直线微带线的起始端连接集总端口(8)，另一端连接90°圆弧微带线。
进一步地，所述集总端口(8)可以使用同轴探针馈电。
进一步地，所述螺旋金属线的半径范围为0.3mm～2.5mm。
本发明的创新之处在于：采用了两根对称的螺距不变、半径逐渐增大的螺旋金属线。螺旋金属线的半径线性增大，当螺旋周长是波长的整数倍时，该螺旋区域能产生对应的单一模态的涡旋波，而当螺旋周长不断变化时，会有相邻模式的存在，从而在单个频点上同时产生多个模态叠加的涡旋波，并且这些叠加的模态成等间隔分布，形成一个梳状的模态谱图，从而可以进一步地提升所产生波的自由度与复杂度。
附图说明
图1为本实施例天线的结构示意图。
图中：1.介质基板，2.金属接地板，3、4.螺旋金属线，5、6.90°圆弧微带线，7.直线微带线，8.集总端口。
图2为本发明实施例天线的电场幅度结果图。
图3为本发明实施例天线的三维场强方向图。
图4为本发明实施例天线的涡旋波相位结果图。
图5为本发明实施例天线的涡旋波电场强度结果图。
图6为本发明实施例天线的归一化模态谱图。
具体实施方式
为了深入了解本发明，使本发明的目的、采用的技术方案以及优点更加清楚明了，现结合附图以及实施例对本申请提出的一种产生具有梳状模态谱的涡旋波的双臂立体螺旋天线作进一步地全面描述。需要说明的是，此处所描述的实施例仅仅用于更清晰地解释本申请，并不是旨在为本申请作相关限定。
参见图1，本发明的一种产生具有梳状模态谱的涡旋波的双臂立体螺旋天线，包括介质基板(1)、位于介质基板下表面的金属接地板(2)、位于介质基板上表面的馈电结构(5～8)、以及双臂立体螺旋金属线(3～4)。所述双臂立体螺旋金属线(3～4)包括立体对称设置且半径逐渐增大的两根螺旋金属线。所述馈电结构(5～8)包括位于介质基板中心的集总端口(8)、以及集总端口(8)两侧中心对称设置的两段微带线；两段微带线的输出端口分别连接两根螺旋金属线的起始部分，且两个输出端口的相位相差180°。
所使用的金属接地板(2)为铜板，厚度为0.018mm。
所使用的平面介质基板(1)采用的材料为Rogers RO4350，相对介电常数为3.66，介电损耗为0.004，半径为50mm，厚度为0.508mm。
两段微带线的厚度为0.018mm，均包括一段直线微带线、以及一段90°圆弧微带线。其中直线微带线的线宽为2mm，圆弧微带线的外半径为13.6mm，线宽为1mm；
所使用的螺旋金属线同心对称布置，螺旋半径为R，起始螺旋半径为R0，螺距为S，一圈的平均周长为L，圈数为N，螺旋金属线半径为a，每转半径变化为r。其中，螺旋金属线半径a＝0.5mm的铜线，起始螺旋半径R0＝13.1mm，螺距S＝12mm，圈数N＝2，每转半径变化r＝6mm，显然，L2＝(2πR)2+S2；双臂螺旋的旋转方向为左手方向，产生左旋圆极化涡旋波。
在本实施例中，参见图2所示，由近场观测平面的电场幅度可以看出，图2中本发明产生的涡旋波束具有理想的圆极化电场幅度分布和电场相位分布，并满足轨道角动量反射阵天线的设计要求。并且在指定区域，涡旋波波束发散角范围内，在单个频点上同时产生多个模态的涡旋波。
参见图3所示，在本实施例中，中空的方向图确认了产生的电磁波具有涡旋电磁波特性。
参见图4所示，在本实施例中，观测平面大小为200mm*200mm,观测位置距离反射阵80mm，得到的相位分布图如图4所示，可以由相位数据采样后归一化得到模态谱图。
参见图5所示，在本实施例中，观测平面大小为200mm*200mm,观测位置距离反射阵80mm，得到的电场强度分布图如图5所示，可以由电场强度数据采样后归一化得到模态谱图。
参见图6所示，在本实施例中，由幅度相位数据采样后归一化的模态谱图可以看出，同时产生了模式数为-2、0、2、4的涡旋波，实施例采用的双臂立体螺旋天线的螺旋周长最小处是波长的2倍，最大处是波长的4倍，与结果相符，形成了模态的梳状图。
以上所述的具体实施例，仅为本发明的一种实施方式，其描述较为具体，但不能把此当作对本发明适用范围的限制。需要说明的是，对于本专业领域的技术人员而言，在不脱离本发明主旨构思的前提下，可以对本申请进行若干变形与改进，这些依然在本发明的保护范围内。因此，本申请的具体保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种产生具有梳状模态谱的涡旋波的双臂立体螺旋天线，包括介质基板（1）、覆盖于介质基板下表面的金属接地板（2）、位于介质基板上表面的馈电结构（5～8）以及双臂立体螺旋金属线（3、4）；
所述双臂立体螺旋金属线（3、4）包括立体对称设置且半径逐渐线性增大的两根螺旋金属线；当螺旋周长是波长的整数倍时，该螺旋区域能产生对应的单一模态的涡旋波，而当螺旋周长不断变化时，会有相邻模式的存在，从而在单个频点上同时产生多个模态叠加的涡旋波，并且这些叠加的模态成等间隔分布，形成一个梳状的模态谱图；
所述馈电结构（5～8）包括位于介质基板中心的集总端口（8）以及集总端口（8）两侧对称设置的两段微带线；两段微带线的输出端口相位相差180°、分别连接两根螺旋金属线的起始端。
2.如权利要求1所述的一种产生具有梳状模态谱的涡旋波的双臂立体螺旋天线，其特征在于，所述两段微带线均包括一段直线微带线以及一段90°圆弧微带线，其中直线微带线的起始端连接集总端口（8），另一端连接90°圆弧微带线。
3.如权利要求1所述的一种产生具有梳状模态谱的涡旋波的双臂立体螺旋天线，其特征在于，所述集总端口（8）使用同轴探针馈电。
4.如权利要求1所述的一种产生具有梳状模态谱的涡旋波的双臂立体螺旋天线，其特征在于，所述螺旋金属线的半径范围为0.3mm～2.5mm。
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