CN112736474B - 基于离散周期单元sspp模的单端口高阶oam辐射器 - Google Patents

Abstract

基于离散周期单元SSPP模的单端口高阶OAM辐射器，涉及天线领域。包括高频介质板和金属贴片；金属贴片部分依次分为共面波导、共面波导向周期性SSPP波导过渡部分、周期性SSPP波导、周期性SSPP波导向辐射环过渡部分和辐射环；所述共面波导、共面波导向周期性SSPP波导过渡部分、周期性SSPP波导共同组成一个SSPP的激励与传输结构；周期性SSPP波导向辐射环过渡部分和辐射环共同组成环形OAM辐射器，辐射源直接来自于离散周期单元，利用SSPP直接产生涡旋辐射。整体贴片结构小型化、易集成。能在1Ghz宽带范围内产生11、12阶OAM。有望应用于第六代无线通信，提高无线通信系统频谱效率和容量。

Description

基于离散周期单元SSPP模的单端口高阶OAM辐射器

技术领域

本发明涉及天线领域，具体是涉及一种基于离散周期单元SSPP模的单端口高阶OAM辐射器。

背景技术

目前无线通信快速发展，频谱资源越来越紧张。频率、相位、幅度等传统复用技术已被充分的开发和应用。携带轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)的电磁波又叫涡旋波，不同模式的涡旋波间的正交性提供了一种新的复用维度，极大提升了现有通信系统的的传输能力，有望成为下一代通信的传输技术之一。OAM的阶数越高，携带的信息容量越大，因此，如何研究出一款能辐射高阶OAM的辐射器成为当前亟需解决的问题。

目前实现OAM辐射的方式主要有：1.圆环天线阵列，将N个阵列单元沿着圆周等距放置，各阵元等幅且固定相位差ΔΦ激励，该方式馈电复杂，且存在互耦问题。2.螺旋相位板，电磁波经过螺旋结构的相位板引导可以携带轨道角动量，但螺旋相位板为立体结构，难以平面化、集成化。3.修正抛物面天线，对入射波加以修正可以得到涡旋波，该方式同样因为结构复杂不易实现。4.圆形贴片天线，利用腔模理论对TM_mn模式叠加，在行波状态下就可以得到OAM，但受到尺寸限制难以得到高阶模式。5.圆环行波天线.在辐射圆环上实现行波分布且圆环周长为等效波长的整数倍，进而得到涡旋辐射，这种方式相较于其他方式较为简单且能够实现在一定带宽内辐射高阶OAM。

人工表面等离激元(Spoof Surface Plasmon Polaritons,SSPP)是一种在微波频段实现沿金属表面传播的与光频表面等离激元(Surface Plasmon Polaritons，SPP)类似的表面波，具有近场增强、表面受限、深亚波长等特点；由于其可以单线传输，因此可以省去接地面，实现器件的小型化、平面化。SSPP在遇到不连续结构时，可以以漏波形式向外辐射。

综上，微波频段高阶OAM辐射装置的研究与设计具有重要的实际意义，但是目前已经报道的OAM天线存在着带宽窄、阶数低(目前已报道最高5阶)、尺寸大、难集成等问题，因此有必要设计一款宽带范围内辐射高阶OAM的辐射器。本发明提出一种基于离散周期单元的SSPP模单端口高阶OAM辐射器，能在1GHz宽带范围内产生11、12阶OAM，大幅提升OAM天线的工作带宽和辐射阶数，且具有结构简单、易集成的特点。

发明内容

本发明目的在于针对现有OAM天线存在的带宽窄、阶数低、尺寸大、难集成等问题，提供利用SSPP表面波的环形行波分布来实现高阶涡旋辐射的一种基于离散周期单元SSPP模的单端口高阶OAM辐射器。

本发明包括高频介质板和金属贴片；金属贴片部分依次分为共面波导(1)、共面波导向周期性SSPP波导过渡部分(2)、周期性SSPP波导(3)、周期性SSPP波导向辐射环过渡部分(4)、辐射环(5)；所述共面波导(1)、共面波导向周期性SSPP波导过渡部分(2)、周期性SSPP波导(3)共同组成一个SSPP的激励与传输结构，同时作为OAM辐射器的馈电网络；所述周期性SSPP波导向辐射环过渡部分(4)和辐射环(5)共同组成环形OAM辐射器，辐射源直接来自于离散周期单元，利用SSPP直接产生涡旋辐射。

所述高频介质板可采用介电常数ε＝2.2的FR4高频介质基材。

所述共面波导(1)由中心导体和两侧接地面组成，共面波导(1)用于和外设SMA转接头焊接，将射频信源信号转换为介质板上的电磁场分布。

所述共面波导向周期性SSPP波导过渡部分(2)由凹槽深度深度渐变的结构单元和两侧的椭圆接地面组成；共面波导向周期性SSPP波导过渡部分(2)用于实现共面波导(1)和周期性SSPP波导(3)结构之间的模式转换。

所述周期性SSPP波导(3)由多个无缝隙结构的结构单元周期排列组成，用于实现SSPP的高效传输。

所述周期性SSPP波导向辐射环过渡部分(4)由缝隙宽度渐增的结构单元旋转而来，用于将传输型SSPP表面波转化为辐射型SSPP。

所述辐射环(5)由缝隙宽度固定不变的离散单元绕成圆环，用于实现电磁波的行波分布以及产生高阶OAM辐射。

所述人工表面等离激元(SSPP)利用周期结构单元产生，优选H型结构单元。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明通过环形人工表面等离激元波导实现高阶行波分布，并在波导上使用缝隙结构产生有效的高阶涡旋辐射。相对于现有的OAM天线，本发明的基于离散周期单元的SSPP模单端口高阶OAM辐射器可大幅提升OAM的阶数，基于行波分布的辐射方式拓展天线的工作带宽，能在较宽的频带范围内产生不同模态的OAM。采用SSPP这种表面波传输有助于整体尺寸的小型化，整体贴片结构具有小型化和易集成特点。本发明能在1Ghz宽带范围内产生11、12阶OAM，大幅提升OAM天线的工作带宽和辐射阶数，且具有结构简单、易集成的特点。该发明有望应用于第六代无线通信，提高无线通信系统的频谱效率和容量。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为本发明实施例的H型SSPP结构单元的结构示意图。

图3为本发明实施例的回波损耗曲线的仿真与实测结果。

图4为天线在9GHz产生的l＝11的仿真涡旋相位图。

图5为天线在9.6GHz产生的l＝12的仿真涡旋相位图。

图6为天线在10.1GHz产生的l＝12的仿真涡旋相位图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例金属部分依次为共面波导(1)、共面波导向周期性SSPP波导过渡部分(2)、周期性SSPP波导(3)、周期性SSPP波导向辐射环过渡部分(4)、辐射环(5)；所述共面波导(1)、共面波导向周期性SSPP波导过渡部分(2)、周期性SSPP波导(3)共同组成一个SSPP激励与传输结构；周期性SSPP波导向辐射环过渡部分(4)和辐射环(5)共同组成环形OAM辐射结构。

所述高频介质板为介电常数ε＝2.2的FR4高频介质基材。

所述人工表面等离激元(SSPP)由H型结构单元但绝不限于H型单元实现，任何可以产生SSPP的离散周期结构理论上都是可行的。

所述共面波导(1)被用来和外设SMA转接头焊接，将射频信源信号转换为介质板上的电磁场分布。

所述共面波导向周期性SSPP波导过渡部分(2)中H型单元的凹槽深度逐渐增加，被用来实现共面波导(1)和周期性SSPP波导(3)结构之间的模式转换。

所述周期性SSPP波导(3)，由多个无缝隙结构的H型单元组成，被用来实现SSPP的高效传输。

所述周期性SSPP波导向辐射环过渡部分(4)由宽度渐增的H型缝隙结构旋转而来，被用来将传输型SSPP表面波转化为辐射型SSPP。

所述辐射环(5)由缝隙宽度固定的H型单元绕成圆环，被用来实现电磁波的行波分布以及产生高阶OAM辐射。

图1为本发明实施例提供的基于离散周期单元的SSPP模单端口高阶OAM辐射器示意图。如图1所示，此实施例中金属贴片位于长宽高分别为L₀、W₀、H₀的微波介质板的其上表面，其中金属贴片部分又包括共面波导(1)、共面波导向周期性SSPP波导过渡部分(2)、周期性SSPP波导(3)、周期性SSPP波导向辐射环过渡部分(4)、辐射环(5)。具体数值可根据实际需求设计260mm≤L₀≤270mm，150mm≤W₀≤160mm，1mm≤H₀≤3mm。

图2为本发明实例中提供的H型人工表面等离激元传输单元结构示意图。如图2所示，此结构单元由介质板和其上表面的H型金属贴片构成，在宽为W₃长为L₅的矩形微带线引入上下对称分布宽为W₄长为L₄凹槽结构。这种结构能在微波频段实现沿金属表面传播的SSPP表面波，可以实现器件的小型化，薄层化。具体数值可根据实际需求设计8≤W₃≤10mm,4mm≤L₅≤5mm,0.5mm≤W₄≤3.5mm,4mm≤L₄≤5mm。

所述金属共面波导(1)，由长度为L₁宽度为W₃的中心微带线和两侧长度为L₁宽度为W₂矩形接地面构成，中心导体与接地面之间含有缝隙结构。中心导体与外设的SMA转接头的中心导体焊接在一起，两侧的矩形接地面(GND)与SMA的地相连。

所述共面波导向周期性SSPP波导过渡部分(2)，由两个半长轴为L₂，半短轴为W₂的椭圆面，多个无缝隙且凹槽深度W₄渐增的H型单元连接组成。具体数值可根据实际需求设计48mm≤L₂≤52mm,24mm≤W₂≤26mm。

所述周期性SSPP波导(3)，由多个图2所示无缝隙结构且凹槽深度不变的H型单元组成。

所述周期性SSPP波导向辐射环过渡部分(4)，是由多个含有缝隙结构的H型单元以R₀为半径，圆心角

渐增旋转而成；缝隙结构的引入可将传输型SSPP逐渐转换为辐射型SSPP。

所述辐射环(5)由多个图2所示的固定缝隙宽度L₆的H型单元以半径为R₀,圆心角

以及多个同样的H型单元在相同的旋转中心以半径为R₀(R₁＜R₀)，圆心角

共同绕制而成。多个带有缝隙结构的离散H型单元共同围成了一个带有缝隙结构的环形OAM辐射器。具体数值可根据实际需求设计60mm≤R₀≤70mm，

对该实施例的实物的S参数进行了仿真和实测分析，如图3所示，该实施例仿真所得谐振频点与实测所得频点吻合较好，测试结果显示在6.5～11GHz的宽带范围内S11<-10dB。

对该实施例的实物在9GHz、9.6GHz、10.2GHz的近场相位特性进行仿真实验结果如图4、图5、图6所示，在上述频点分别产生了l＝11、l＝12的涡旋相位，与理论分析相吻合。

相对于现有的OAM天线，本发明的基于离散周期单元的SSPP模单端口高阶OAM辐射器带宽大、易集成，能用同一辐射体在不同频点产生不同模态的OAM。能根据实际应用所需，设计出工作在所需频点和OAM模态的天线。

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做的改变、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。以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本领域的技术人员应该了解本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的范围内。

Claims (6)

1.基于离散周期单元SSPP模的单端口高阶OAM辐射器，其特征在于包括高频介质板和金属贴片；金属贴片部分依次分为共面波导、共面波导向周期性SSPP波导过渡部分、周期性SSPP波导、周期性SSPP波导向辐射环过渡部分、辐射环；所述共面波导、共面波导向周期性SSPP波导过渡部分、周期性SSPP波导共同组成一个SSPP的激励与传输结构，同时作为OAM辐射器的馈电网络；所述周期性SSPP波导向辐射环过渡部分和辐射环共同组成环形OAM辐射器，辐射源直接来自于离散周期单元，利用SSPP直接产生涡旋辐射；

所述周期性SSPP波导由多个无缝隙结构的结构单元周期排列组成，用于实现SSPP的高效传输；所述周期性SSPP波导向辐射环过渡部分由缝隙宽度渐增的结构单元旋转而来，用于将传输型SSPP表面波转化为辐射型SSPP；所述辐射环由缝隙宽度固定不变的离散单元绕成圆环，用于实现电磁波的行波分布以及产生高阶OAM辐射。

2.如权利要求1所述基于离散周期单元SSPP模的单端口高阶OAM辐射器，其特征在于所述高频介质板采用介电常数ε＝2.2的FR4高频介质基材。

3.如权利要求1所述基于离散周期单元SSPP模的单端口高阶OAM辐射器，其特征在于所述共面波导由中心导体和两侧接地面组成，共面波导用于和外设SMA转接头焊接，将射频信源信号转换为介质板上的电磁场分布。

4.如权利要求1所述基于离散周期单元SSPP模的单端口高阶OAM辐射器，其特征在于所述共面波导向周期性SSPP波导过渡部分由凹槽深度渐变的结构单元和两侧的椭圆接地面组成；共面波导向周期性SSPP波导过渡部分用于实现共面波导和周期性SSPP波导结构之间的模式转换。

5.如权利要求1所述基于离散周期单元SSPP模的单端口高阶OAM辐射器，其特征在于所述SSPP利用周期结构单元产生。

6.如权利要求5所述基于离散周期单元SSPP模的单端口高阶OAM辐射器，其特征在于所述周期结构单元采用H型结构单元。

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