CN112909579A - 一种多模态轨道角动量天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可产生多种轨道角动量模式的微带阵列天线，主要解决现有轨道角动量天线OAM(OrbitalAngularMomentum)模式较少的问题。其中包括12个单元贴片天线，介质基板，金属地板，12个馈电接线柱等。阵列将12个结构相同的六边形贴片单元沿同一圆周等距排列，利用三维电磁场仿真软件优化，确定了天线的最优结构。结果表明，天线在中心频率10.15GHz处回波损耗达到‑14.81dB。当给各天线馈电端口馈送等幅但相位差相等的激励时，天线的电场辐射图、方向图等参数表明其能够产生携带11种有效不同模式的涡旋电磁波。该天线具有剖面低、体积小等特点，本发明为携带多种不同OAM模式的轨道角动量微带阵列天线设计提供了一种新颖的思路。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体是一种多模态轨道角动量天线。
背景技术
伴随着无线传输技术的迅速普及与更多通信设备的快速发展，未来移动数据信息将持续呈现爆炸式的增长，无线信道容量需求和频谱资源短缺的矛盾日益突出，根据多通道无线通信系统中的信道容量公式：
信道容量C的大小是由信噪比SNR和系统信道矩阵H共同决定的。在未知信道特征的条件下，如果只是单方面地通过增加发射功率来提高频谱利用率，系统将不能维持正常通信。因此，人们迫切希望在无线通信领域找到一种可以增加系统容量并提高频谱利用率的通信方式。在此前提下，人们发现轨道角动量涡旋电磁波具有和频率、码序列、强度、相位、时间不同的物理自由度并且可以用于低频无线电领域。从理论上讲，在任意不同频率下，OAM涡旋电磁波都具有无数多种相互正交的模态，这种正交特性使得不同模态的涡旋波所携带的信息不会产生相互干扰。
2007年，瑞典空间物理研究所Thide等人发现使用矢量天线阵列[THIDE B,THENH,SJOHOLM J,et al.Utilization of photon orbital angular momentum in the low-frequency radio domain[J].Physical Review Letters,2007,99(8):877-894.]给各天线单元馈以等幅不同相的信号时，相邻两个阵元间存在相等的相位差，天线可以产生具有自旋角动量和轨道角动量的电磁波，并且波束与近轴螺旋拉盖尔-高斯激光束具有十分相似的角动量特性。2010年，Mohammadi等人对无线电OAM系统进行了综合仿真并在波束轴线已知的条件下，通过单点局部测量法明确地估计了无线电磁波束中的轨道角动量[MOHAMMADI S M,DALDORFF LK S,BERGMAN J E S,et al.Orbital angular momentum inradio-a system study[J].IEEE Transactions onAntennas and Propagation,2010,78(2):565-572.]。
2012年，Tamburini等人在麦克斯韦与洛伦兹电磁理论的对称形式基础上，利用独立于可用信道的信息进行编码的调制方案，将不同OAM编码状态的电磁波信号在同一频带上实现了442m的无线传输。[TAMBURINI F,MARI E,SPONSELLI A,et al.Encoding manychannels on the same frequency through radiovorticity:first experimental test[J].New J.Phys.Vol.14,Is.3,March 2012:2-7.]结果表明这种新的无线电通信方式允许在同一频带实现多信道同时传输数据信息。2017年，Bai X D等人提出了一种利用Rotman透镜天线阵列产生五种不同OAM模式涡旋波的方案[BAI X D,LIANG X L,LI J P,etal.Rotman Lens-BasedCircularArray for Generating Five-mode OAM Radio Beams[J].Scientific Reports,2016,6(1):734-739.]。
相比其它可产生涡旋电磁波的方法，微带阵列天线具有轻便、体积小、易于共形、易于制造等特点，更加适用于实际生产生活。此外，微带阵列天线也是如今雷达、卫星通信等场合应用最广泛的天线形式之一，是微波与射频波段产生轨道角动量涡旋电磁波的主要方式。随着关于OAM涡旋电磁波相关理论体系研究的不断深入，设计出小体积、易集成并且可以在单个频率点同时产生高质量不同OAM模式的天线结构已经成为电磁涡旋波天线未来发展的必然趋势。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种小体积、易集成并且可以在单个频率点同时产生高质量不同OAM模式的天线结构。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种多模态轨道角动量天线，包括12个单元贴片天线，介质基板，12个馈电接线柱，12个不敷铜通孔，金属地板；
所述12个单元贴片天线，采用六边形贴片，按照中心对称方式设置在介质基板的上表面；
所述接地板,设置在介质基板的下表面，接地板设有12个激励端口，所述12个馈电接线柱与单元贴片天线对应连接，采用同轴电缆馈电方式。
进一步，所述的单元贴片天线材质为金属铜箔，该六边形贴片的实际半径Seff计算公式如下：
进一步，所述的介质板为环氧树脂增强材料。
进一步，所述的金属地板，设置在介质基板下层，且与介质基板的大小相同。
进一步，所述的12个单元贴片天线的激励端口，产生等幅且相邻端口间相位差为
的馈电激励，馈电一圈产生的总相位差
l表示OAM模式。
进一步，N个单元贴片天线组成的阵列天线，产生的涡旋波模式最大值lmax表示为：
-N/2≤lmax≤N/2 (5)
采用上述方案后实现了以下有益效果：相比于其他形状的贴片，正六边形贴片的边缘棱角变化缓慢，电流在贴片表面流过时比较平缓，在中心频点附近的频率很容易满足谐振的要求，从而展宽天线工作带宽。六边形贴片天线的谐振频率计算公式如下：
其中fc表示六边形贴片中心谐振频率，波速c＝3.0×108m/s，h和W分别是六边形贴片的厚度和宽度，ΔL为贴片等效长度的变化量，εr为介质基片的相对介电常数，εeff为介质基片有效相对介电常数。
六边形贴片的有效边长Seff可以表示为：
正六边形贴片表面流过的电流由于贴片边缘的棱角变化缓慢而相对平缓，这样的特性能够使得天线中心频点附近的频率更加容易满足谐振的要求。设计采用的介质基板其介电常数εr＝2.55，厚度为2mm，经过理论公式计算并结合三维电磁场仿真软件优化确定设计的正六边形微带阵列天线贴片长度为6.35mm。为最大限度的减少旁瓣辐射，贴片中心到介质基板中心距离设定为0.8λ。
通过电磁仿真软件优化得到工作于中心频率为10.15GHz的六边形OAM阵列天线具体尺寸设计参数如表1所示。
表1六边形贴片阵列天线的主要设计参数
附图说明
图1是本发明的单元贴片结构图；
图2是本发明的俯视图；
图3是仿真本发明产生的回波损耗；
图4是仿真本发明产生的电场辐射分布图；
图5是仿真本发明产生的XZ面增益方向图；
图6是仿真本发明产生的3D辐射方向图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
说明书附图中的附图标记包括：单元贴片天线1、介质基板2、馈电接线柱3、不敷铜通孔4、金属地板5。
实施例基本如附图1所示：一种多模态轨道角动量天线，包括12个单元贴片天线1、介质基板2、12个馈电接线柱3、12个不敷铜通孔4和金属地板5；
12个单元贴片天线1，采用六边形贴片，按照中心对称方式设置在介质基板2的上表面；
接地板5设置在介质基板2的下表面，接地板5设有12个激励端口，所述12个馈电接线柱3与单元贴片天线1对应连接，采用同轴电缆馈电方式，馈电接线柱3位于不敷铜通孔4的中心位置。
设计中使用如图1所示的六边形天线作为阵元，12个相同结构的单元贴片天线1绕圆心均匀排列组成整个阵列，相邻两个阵元之间夹角为30°，单元贴片天线1制作在同一介质基板2上，介质基板2介电常数为εr＝2.55，厚度h＝2mm。
通过电磁仿真软件优化得到工作于中心频率为10.15GHz的阵列天线贴片1边长为6.35mm。
图2是在电磁仿真软件下设计的阵列天线模型。如图3是阵列天线回波损耗，六边形贴片微带阵列天线在中心频率10.15GHz处回波损耗可以达到14.81dB，工作频率范围从9.8GHz覆盖到10.6GHz，天线符合OAM微带阵列天线的基本设计要求。
本发明设计的12单元正六边形OAM阵列天线可以产生具有11种不同OAM模态的涡旋波束，从图4可以看出，设计中分别设置各天线阵元间馈电相位差为0°，±30°，±60°，±90°，±120°时，涡旋电磁波的螺旋相位波前结构及螺旋个数清晰可见。
在涡旋电磁波模式增大的过程中，波束中轴附近的电场强度逐渐变弱。当各单元贴片天线1被馈送相位差为±150°时，波束螺旋结构变得十分模糊，天线不能辐射出有效的OAM涡旋电磁波。
如图5所示为12单元六边形阵列天线在不同OAM模态下XZ面增益方向图，当吋，阵列天线中阵元均被馈送相同相位的激励，天线单元方向性较强。当OAM模式为±1时，轴线中心出现空洞现象，最大增益偏移至两侧。
当OAM模式从±2变化到±5时，中轴两侧曲线表现得不是十分对称，这是由于贴片结构决定整个阵列不是十分对称造成的，但是可以看出中心轴线附近天线增益有明显回升。在OAM模态达到最大值时，中心轴线附近下陷最为剧烈，天线增益及方向性变得十分微弱，实际通信系统中此类现象应尽可能避免。
如图6为12单元六边形阵列天线不同OAM模式的增益与相对应的3D辐射方向图，可以看出辐射的3D方向图具有波束空心化的特征，这是携带轨道角动量的电磁波所固有的性质。当各阵元馈送等幅零相移激励信号时，辐射的电磁波不具有旋转相位结构表现为平面电磁波特征，即天线最大增益产生于垂直介质基板方向上。当各阵元天线分别馈送等幅相位差相等的激励信号时，辐射的3D方向图出现了不同程度的形变，天线旁瓣数目逐渐增多。当各阵元天线别馈送等幅相位相差150°激励信号时，辐射3D方向图产生的形变最剧烈。对于远距离通信应用场合，高模式的涡旋电磁波波束中心与各波束间串扰较大，产生这一现象最主要的原因是有限的单元贴片天线个数决定了OAM模式的最大值，随着传播距离的增加必定会使波束衍射加强。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (6)
1.一种多模态轨道角动量天线，包括12个单元贴片天线(1)，介质基板(2)，12个馈电接线柱(3)，12个不敷铜通孔(4)，金属地板(5)，其特征在于：
所述12个单元贴片天线(1)，采用六边形贴片，按照中心对称方式设置在介质基板(2)的上表面；
所述接地板(5)，设置在介质基板(2)的下表面，接地板(5)设有12个激励端口，所述12个馈电接线柱(3)与单元贴片天线(1)对应连接，采用同轴电缆馈电方式。
2.根据权利要求1所述的一种多模态轨道角动量天线，其特征在于：所述的单元贴片天线(1)材质为金属铜箔，该六边形贴片的有效半径Seff计算公式如下：
3.根据权利要求1所述的一种多模态轨道角动量天线，其特征在于：所述的介质基板(2)为环氧树脂增强材料。
4.根据权利要求1所述的一种多模态轨道角动量天线，其特征在于：所述的金属地板(5)，设置在介质基板(2)下层，且与介质基板(2)的大小相同。
5.根据权利要求1所述的一种多模态轨道角动量天线，其特征在于：所述的12个单元贴片天线(1)的激励端口，产生等幅且相邻端口间相位差为
的馈电激励，馈电一圈产生的总相位差
l表示OAM模式。
6.根据权利要求1所述的一种多模态轨道角动量天线，其特征在于：N个单元贴片天线(1)组成的阵列天线，产生的OAM模式最大值lmax表示为：
-N/2≤lmax≤N/2 (2)。
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