CN112909563A - 一种产生射频平面螺旋轨道角动量模群的扇环谐振腔天线 - Google Patents

一种产生射频平面螺旋轨道角动量模群的扇环谐振腔天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种产生射频平面螺旋轨道角动量模群的扇环谐振腔天线，所述扇环谐振腔天线从上至下依次由顶部反射面、扇环谐振腔腔体和底部反射面固定连接构成；所述顶部反射面和底部反射面为对称结构，其高度HR为5‑15mm，所述扇环谐振腔腔体的弧度β为36°，所述扇环谐振腔腔体的内半径面的中央处设有缝隙，所述缝隙的宽度为0.4‑1mm；所述顶部反射面和底部反射面上与缝隙靠近的侧边与垂直方向的夹角βR为45‑80°。本发明通过使用扇环谐振腔的设计直接产生了一个具有超高等效模态和高增益的PSOAM MG，相比于传统方法极大地简化了天线复杂度和成本，该天线在MIMO通信系统中具有很高的应用潜力。

Description

一种产生射频平面螺旋轨道角动量模群的扇环谐振腔天线
技术领域
本发明属于MIMO通信、雷达探测技术领域，具体地，涉及一种产生射频平面螺旋轨道角动量模群(Plane Spiral Orbital Angular Momentum Mode-group PSOAM MG)的扇环谐振腔天线。
背景技术
伴随着5G技术的逐渐深入研究与应用以及6G技术的初步开展，多进多出(multiple input multiple output，MIMO)技术得以被重视。MIMO技术是指能在不增加带宽的情况下，通过增加输入输出单元个数，消除了天线间信号的相关性，成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。MIMO系统中发送端和接收端之间存在多个独立信道，提高了信号的链路性能，增加了数据吞吐量。
OAM是一种电磁波基本特性，可为电磁波的调制、复用等提供新的物理参数维度，在提高频谱利用率方面具有极大的潜力。传统OAM中心存在相位奇点，由于波束的发散特性，随着传播距离的增大，中间的暗区将不断变大，不利于远距离通信，此时PSOAM被提成来解决OAM在叠加复用上存在的阻碍。PSOAM可以认为是一种二维的OAM波束，无论模态数是多少，波束的主瓣均指向水平方向，即θ＝90°。此时，波束中间的暗区被压至天线内，并且相同的发散角使得多模态PSOAM可以在方位角向实现叠加。
单模态PSOAM是在方位角向具有涡旋相位分布，均匀幅度分布的波束不具有方向性。当多模态PSOAM波束叠加时，波束在方位角向也具有了方向性。因此PSOAM模群(Mode-group MG)被提出。PSOAM MG是一种由多模态PSOAM波组成的叠加波束，它的主瓣具有方向性，又与单模态PSOAM一样具有涡旋度。PSOAM MG主瓣内具有线性变化，同携带OAM的波束，将相位斜率定义为等效OAM模态。
最近，PSOAM-MG被证明可以通过提高系统的信噪比(signal-noise ratio SNR)和降低MIMO系统中子信道的空间相关性来提高频谱利用率。信噪比的提高取决于波束的增益，而空间相关性的降低取决于叠加波束的等效OAM模态。因此，设计一种超高等效OAM模态的高增益PSOAM MG具有重要意义。
传统方法通过产生多个独立的PSOAM波束，使其在同一个空间上叠加来构造PSOAMMG，然而这种方法很难构造出足够高增益且等效模态的PSOAM MG。并且由于每个模群需要一个独立的结构产生，因此这种方法设计的天线系统复杂，成本高。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种产生射频平面螺旋轨道角动量模群的扇环谐振腔天线。该扇环谐振腔天线通过设计一个扇环型谐振腔，并在其内弧开缝形成一个部分弧电流辐射源，并且在扇形谐振腔的顶部和底部各加载一个反射面，使得该扇环谐振腔天线在低成本和系统复杂度的条件下能够产生超高等效OAM阶数的高增益PSOAMMG。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种产生射频平面螺旋轨道角动量模群的扇环谐振腔天线，所述扇环谐振腔天线从上至下依次由顶部反射面、扇环谐振腔腔体和底部反射面固定连接构成；所述顶部反射面和底部反射面为对称结构，其高度HR为5-15mm，所述扇环谐振腔腔体的弧度β为36°，所述扇环谐振腔腔体的内半径面的中央处设有缝隙，所述缝隙的宽度为0.4-1mm；所述顶部反射面和底部反射面上与缝隙靠近的侧边与垂直方向的夹角βR为45-80°。
进一步地，所述扇环谐振腔腔体的高度H为3-4mm，内半径Rin为313.1mm，外半径Rout为335.6mm。
进一步地，所述扇环谐振腔腔体的壁厚为0.1-1mm。
进一步地，所述扇环谐振腔腔体的内外两侧扇环的宽度d为7.5mm，左右两侧的扇环弧角β2均为1.3°。
进一步地，所述扇环谐振腔腔体在外侧扇环中的两个对称位置上设置两根同轴电缆的馈电点；所述馈电点均在外侧扇环中的内外两壁的中点所在的圆上且方位角距离为4.8°。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明的扇环谐振腔天线采用高度HR为5-15mm的顶部反射面和底部反射面，所述顶部反射面和底部反射面上与缝隙靠近的侧边与垂直方向的夹角βR为45-80°，可以保证反射面对辐射波束达到一定的汇聚效果的情况下便于加工；若高度低于5mm或者夹角小于45°，会导致波束增益不足，而高度高于15mm或夹角大于80°时会导致反射面过大不便于加工；本发明采用的扇环谐振腔腔体的弧度β为36°，能保证波束具有稳定的等效模式，无论弧度增大或者减小，都会导致PSOAM模式谱变化导致产生波束不具有稳定的等效模态；因此本发明的扇环谐振腔天线具有更高的增益；
(2)本发明的扇环谐振腔天线的内壁开一条辐射缝隙，通过合理设计参数在谐振腔能够在缝隙处构造出满足弧状行波电流的均匀辐射源，该辐射源只需要一段圆弧就能够产生带有超高的相位斜率的辐射波束同时具有很高的定向性，使得该扇环谐振腔天线能够产生超高的等效模式和增益；
此外，本发明的扇环谐振腔天线相比于同类天线系统复杂度低、天线成本低、加工难度小，且本发明的扇环谐振腔天线对PSOAM MG在MIMO通信系统中应用具有推动作用。
附图说明
图1本发明产生射频平面螺旋轨道角动量模群的扇环谐振腔天线的三维结构图；
图2本发明产生射频平面螺旋轨道角动量模群的扇环谐振腔天线y＝0平面的剖面图；
图3本发明产生射频平面螺旋轨道角动量模群的扇环谐振腔天线的扇形谐振腔的z＝0平面的剖面图；
图4本发明产生射频平面螺旋轨道角动量模群的扇环谐振腔天线的全波仿真三维远场图；
图5本发明产生射频平面螺旋轨道角动量模群的扇环谐振腔天线的全波仿真θ方向的方向图；
图6本发明产生射频平面螺旋轨道角动量模群的扇环谐振腔天线的全波仿真φ方向的方向图；
图7本发明产生射频平面螺旋轨道角动量模群的扇环谐振腔天线的全波仿真φ方向相位分布图。
具体实施方式
本发明采用部分弧发射(Partial Arc Transmitting PAT)方案，PAT方案是通过设计一段部分圆弧的OAM辐射源产生一定分布的PSOAM MG。该PSOAM MG的模式分布是以此辐射源的原模态为中心的贝塞尔函数与Sinc函数的乘积。通过合理设计，分布函数具有准对称性，因此具有一个稳定的等效模态，同时也带来了波束增益。
如图1-3，本发明提供了一种产生射频平面螺旋轨道角动量模群的扇环谐振腔天线的示意图，所述扇环谐振腔天线从上至下依次由顶部反射面p1、扇环谐振腔腔体p2和底部反射面p3固定连接构成；所述顶部反射面和底部反射面为对称结构，其高度HR为5-15mm，所述扇环谐振腔腔体的弧度β为36°，所述扇环谐振腔腔体的内半径面的中央处设有缝隙，所述缝隙的宽度为0.4-1mm，缝隙的宽度在0.4-1mm之间能够保证足够的辐射效率的同时不破坏腔体内场的模式，当宽度小于0.4mm时会导致辐射效率不足，当宽度大于1mm时由于缝隙过大导致腔体内模式变化过大从而电流分布偏离理想状态最终导致辐射场形变。所述顶部反射面和底部反射面上与缝隙靠近的侧边与垂直方向的夹角βR为45-80°。根据漏波天线原理，此缝隙形成一个PAT辐射源，根据PAT原理，可以产生PSOAM MG。在扇形谐振腔的顶部和底部各加载一个反射面以加强波束在俯仰角方向的汇聚，进一步提高波束增益。
所述扇环谐振腔腔体的高度H为3-4mm，内半径Rin为313.1mm，外半径Rout为335.6mm，所述扇环谐振腔腔体的壁厚为0.1-1mm；所述扇环谐振腔腔体的内外两侧扇环的宽度d为7.5mm，左右两侧的扇环弧角β2均为1.3°。扇环谐振腔腔体在该设计参数下能保证在辐射缝隙处满足所设计辐射场的等效模式所需要的电流分布，若宽度d与扇环弧角β2变化，会影响辐射缝隙处的电流分布导致辐射场形变，同时不存在稳定的等效OAM模式。所述扇环谐振腔腔体在外侧扇环中的两个对称位置上设置两根同轴电缆的馈电点作为底部激励；所述馈电点均在外侧扇环中的内外两壁的中点所在的圆上且方位角距离为4.8°，两个电缆共同馈电在腔体中产生行波模式，此时，在缝隙处的电流分布满足行波电流分布，符合部分弧发射(Partial Arc Transmitting PAT)的天线模型的要求。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步解释说明。
实施例1
本发明一种产生射频平面螺旋轨道角动量模群的扇环谐振腔天线，实现在工作频率28GHz上产生增益为21.11dB，等效模态为102.5的PSOAM MG波束，所述扇环谐振腔天线的总辐射效率为92.07％。所述扇环谐振腔天线由顶部反射面p1、扇环谐振腔腔体p2和底部反射面p3依次固定连接构成。顶部反射面和底部反射面是对称结构，其高度HR＝10mm，扇环谐振腔腔体高度H＝3.4mm，弧度β＝36°，内半径Rin＝313.1mm，外半径Rout＝335.6mm，内外两侧扇环的宽度d＝7.5mm，左右两侧的扇环弧角β2＝1.3°，腔体金属壁厚0.5mm，辐射缝隙位于扇环谐振腔腔体的内半径面的中央处，宽度为0.5mm，所述顶部反射面和底部反射面上与缝隙靠近的侧边与垂直方向的夹角βR为70°。
如图4为本发明产生射频平面螺旋轨道角动量模群的扇环谐振腔天线的全波仿真三维远场图，远场是一个高增益铅笔波束，具有很高的定向性，总增益为21.11dB，并且波束指向水平方向；波束的二维主瓣方向是(Theta＝90°，Phi＝153.3°)，因此，在该点分别沿着Theta＝90°、Phi＝153.3°两个面切，可以得到Phi方向和Theta方向的一维方向图。如图5为本发明产生射频平面螺旋轨道角动量模群的扇环谐振腔天线的全波仿真Theta方向的方向图，即立体方向图沿着Phi＝153.3°平面切得的曲线，图5中可以看出主瓣方向为Theta＝90°方向，证明了本发明扇环谐振腔天线产生的是PSOAM MG而非普通OAM MG，波束形状对称性好，波束宽度为22.1°，副瓣电平为-22.2dB。如图6为本发明产生射频平面螺旋轨道角动量模群的扇环谐振腔天线的全波仿真Phi方向的方向图，即立体方向图沿着Theta＝90°平面切得的曲线，图6中可以看出主瓣方向为Phi＝153.3°，波束在Phi方向波束宽度仅为8度，副瓣电平为-8.9dB。如图7为本发明产生射频平面螺旋轨道角动量模群的扇环谐振腔天线的全波仿真Phi方向,即方位角方向相位分布图，说明本发明的扇环谐振腔天线具有很好的相位线性度，并且在主瓣范围内等效相位斜率为102.5，这意味着其等效模态为102.5。
综上，本发明的扇环谐振腔天线产生了一个具有高增益超高等效模态的PSOAMMG。传统方法产生方位角向波束宽度为8度，等效模态为102.5的PSOAM MG，需要至少模态83-131一共三十九个PSOAM叠加，这需要极其复杂的天线阵和馈电网络，几乎是不可能实现的。因此，本发明通过一种低成本低复杂度的设计方案实现了高增益超高等效模态的PSOAMMG产生，在MIMO系统中具有很高的应用价值。
实施例2
本发明提供了一种产生射频平面螺旋轨道角动量模群的扇环谐振腔天线，实现在工作频率28GHz上产生增益为17.57dB，等效模态为101.3的PSOAM MG波束，所述扇环谐振腔天线的总辐射效率为85.32％。所述扇环谐振腔天线由顶部反射面p1、扇环谐振腔腔体p2和底部反射面p3依次固定连接构成。顶部反射面和底部反射面是对称结构，其高度HR＝5mm，扇环谐振腔腔体高度H＝3mm，弧度β＝36°，内半径Rin＝313.1mm，外半径Rout＝335.6mm，内外两侧扇环的宽度d＝7.5mm，左右两侧的扇环弧角β2＝1.3°，腔体金属壁厚0.1mm，辐射缝隙位于扇环谐振腔腔体的内半径面的中央处，宽度为0.4mm，所述顶部反射面和底部反射面上与缝隙靠近的侧边与垂直方向的夹角βR为45°。本发明的扇环谐振腔天线产生了一个具有高增益超高等效模态的PSOAM MG。
实施例3
本发明提供了一种产生射频平面螺旋轨道角动量模群的扇环谐振腔天线，实现在工作频率28GHz上产生增益为21.98dB，等效模态为100.8的PSOAM MG波束，所述扇环谐振腔天线的总辐射效率为94.65％。所述扇环谐振腔天线由顶部反射面p1、扇环谐振腔腔体p2和底部反射面p3依次固定连接构成。顶部反射面和底部反射面是对称结构，其高度HR＝15mm，扇环谐振腔腔体高度H＝4mm，弧度β＝36°，内半径Rin＝313.1mm，外半径Rout＝335.6mm，内外两侧扇环的宽度d＝7.5mm，左右两侧的扇环弧角β2＝1.3°，腔体金属壁厚1mm，辐射缝隙位于扇环谐振腔腔体的内半径面的中央处，宽度为1mm，所述顶部反射面和底部反射面上与缝隙靠近的侧边与垂直方向的夹角βR为80°。本发明的扇环谐振腔天线产生了一个具有高增益超高等效模态的PSOAM MG。

Claims (5)

1.一种产生射频平面螺旋轨道角动量模群的扇环谐振腔天线，其特征在于：所述扇环谐振腔天线从上至下依次由顶部反射面、扇环谐振腔腔体和底部反射面固定连接构成；所述顶部反射面和底部反射面为对称结构，其高度HR为5-15mm，所述扇环谐振腔腔体的弧度β为36°，所述扇环谐振腔腔体的内半径面的中央处设有缝隙，所述缝隙的宽度为0.4-1mm；所述顶部反射面和底部反射面上与缝隙靠近的侧边与垂直方向的夹角βR为45-80°。
2.根据权利要求1所述产生射频平面螺旋轨道角动量模群的扇环谐振腔天线，其特征在于：所述扇环谐振腔腔体的高度H为3-4mm，内半径Rin为313.1mm，外半径Rout为335.6mm。
3.根据权利要求1或2所述产生射频平面螺旋轨道角动量模群的扇环谐振腔天线，其特征在于：所述扇环谐振腔腔体的壁厚为0.1-1mm。
4.根据权利要求1或2所述产生射频平面螺旋轨道角动量模群的扇环谐振腔天线，其特征在于：所述扇环谐振腔腔体的内外两侧扇环的宽度d为7.5mm，左右两侧的扇环弧角β2均为1.3°。
5.根据权利要求4所述产生射频平面螺旋轨道角动量模群的扇环谐振腔天线，其特征在于：所述扇环谐振腔腔体在外侧扇环中的两个对称位置上设置两根同轴电缆的馈电点；所述馈电点均在外侧扇环中的内外两壁的中点所在的圆上且方位角距离为4.8°。
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