CN113937509A - 一种圆极化psoam阵列天线、控制方法、无线通信系统 - Google Patents
一种圆极化psoam阵列天线、控制方法、无线通信系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113937509A CN113937509A CN202111065193.5A CN202111065193A CN113937509A CN 113937509 A CN113937509 A CN 113937509A CN 202111065193 A CN202111065193 A CN 202111065193A CN 113937509 A CN113937509 A CN 113937509A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- psoam
- antenna
- array
- circularly polarized
- array antenna
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 16
- 238000004891 communication Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 230000005404 monopole Effects 0.000 claims abstract description 41
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims abstract description 34
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 19
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 19
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 12
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims abstract description 7
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 4
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims abstract description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 15
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims description 6
- 230000010354 integration Effects 0.000 abstract description 8
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 29
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 13
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 5
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 5
- 238000011160 research Methods 0.000 description 5
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 4
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 4
- 101710195281 Chlorophyll a-b binding protein Proteins 0.000 description 2
- 101710143415 Chlorophyll a-b binding protein 1, chloroplastic Proteins 0.000 description 2
- 101710181042 Chlorophyll a-b binding protein 1A, chloroplastic Proteins 0.000 description 2
- 101710091905 Chlorophyll a-b binding protein 2, chloroplastic Proteins 0.000 description 2
- 101710095244 Chlorophyll a-b binding protein 3, chloroplastic Proteins 0.000 description 2
- 101710127489 Chlorophyll a-b binding protein of LHCII type 1 Proteins 0.000 description 2
- 101710184917 Chlorophyll a-b binding protein of LHCII type I, chloroplastic Proteins 0.000 description 2
- 101710102593 Chlorophyll a-b binding protein, chloroplastic Proteins 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000005388 cross polarization Methods 0.000 description 2
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 2
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000001808 coupling effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- PBAPPPCECJKMCM-IBGZPJMESA-N mirabegron Chemical compound S1C(N)=NC(CC(=O)NC=2C=CC(CCNC[C@H](O)C=3C=CC=CC=3)=CC=2)=C1 PBAPPPCECJKMCM-IBGZPJMESA-N 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q21/00—Antenna arrays or systems
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
- H01Q1/12—Supports; Mounting means
- H01Q1/22—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
- H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
- H01Q1/48—Earthing means; Earth screens; Counterpoises
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
- H01Q1/50—Structural association of antennas with earthing switches, lead-in devices or lightning protectors
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
- H01Q13/08—Radiating ends of two-conductor microwave transmission lines, e.g. of coaxial lines, of microstrip lines
Landscapes
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
Abstract
本发明属于天线技术领域，公开了一种圆极化PSOAM阵列天线、控制方法、无线通信系统，圆极化PSOAM阵列天线采用天馈一体化，由一块介质基板和一根同轴线馈电线缆组成；其中，在介质板上表面，沿着特定半径的圆均匀分布着8个阵列单元；在介质板下表面，印刷有9端口的Wilkinson功分馈电网络。介质基板上表面分布着八个相同的阵列单元，阵列单元天线包括四个弯折单极子，四个L型微带线和用于馈电的十字交叉微带线以及用于阻抗匹配的圆形金属片。弯折单极子是将铜柱弯折90°来代替单极子。本发明解决了PSOAM天线极化单一的问题，并实现了PSOAM阵列天线的小型化。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种圆极化PSOAM阵列天线、控制方法、无线通信系统。
背景技术
目前，OAM在提供独特自由度的同时，还携有制约其实用的特性，其中包括相位奇点和波束分叉角，为了解决OAM波束在传播中遇到的问题，PSOAM天线应运而生。然而目前PSOAM天线的研究仍处于方法探索阶段，大部分现有天线剖面较高，极化方式的实用性和功能性不强，这对PSOAM天线与无线通信系统的兼容带来挑战。目前PSOAM天线均为线极化，极化方式的实用性较弱。在天线信号的发射和接收中，必须综合考虑其极化角度来摆放天线的位置，避免因极化失配而引起极化损耗。而环形阵列是实现PSOAM波束的常用方式之一，其原理易懂，结构简单，阵列天线的多样性和功能性取决于单元天线的种类。因此，设计一种具有圆极化特性的PSOAM阵列天线极具价值。
现有技术如下：
文献“Jin,Xiaofeng,Zhang,et al.Generation ofplane spiral OAM wavesusing traveling-wave circular slot antenna[J].IEEE Antennas and WirelessPropagation Letters,2016,16:8-11.”采用行波金属谐振腔来产生OAM波束，而后，通过在金属谐振腔外围开一圈环形喇叭槽线来使波束能量聚集到水平面方向，即可实现PSOAM波束。这种天线的OAM模数纯度高，但尺寸较大不利于多模态的叠加。同时，该天线的全向边射方向图不圆度较大，仍需对其进行优化才能满足实用条件。
文献“Hua L,Zheng S,Yu X,et al.Transformation of OAM Waves to PlaneSpiral OAM Waves Based on Gradient-Index Meta-Surface[C]//2018Asia-PacificMicrowave Conference(APMC).IEEE,2018:120-122.”采用置于超表面中间区域的介质谐振器来产生OAM波束，而加载在谐振器四周的超表面通过特定的亚波长结构单元及排列方式来使OAM波束沿着超表面所在平面传播。该天线存在尺寸较大，阻抗带宽较窄，3dB波束宽度较小，超表面设计复杂的缺点。同时，该天线设计并未制作实物，难以验证方法的可行性。
文献“Dong R,Chen Y,Zheng S,et al.Generation ofplane spiral orbitalangular momentum microwave with ring dielectric resonator antenna[C]//2017Sixth Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation(APCAP).IEEE,2017:1-3.”采用介质谐振器产生OAM波束，通过向介质谐振器中填充高介电常数的介质来大幅地缩小天线尺寸。该天线达到了较好的小型化水平，同时产生的模态纯度较高，但因电尺寸太小而导致其辐射效率和增益严重受限。
文献“Ma Q,Zheng S,Zheng J,et al.Realization of StructuredElectromagnetic Waves Based on Plane Spiral Orbital Angular Momentum WavesUsing Circular Cylindrical Conformal Microstrip Antenna Array[C]//2018Asia-Pacific Microwave Conference(APMC).IEEE,2018:91-93.”利用环形均匀环形阵列产生了OAM波束，通过圆柱共形的方式使每个阵列单元都沿着径向向外辐射来产生PSOAM波束。然而，馈电网络的电尺寸远大于其天线本身，极大地限制了其与通信设备的集成。
文献“Chen Y,Zheng S,Wang X,et al.Dipole Antenna Array Fed by a SIWBased Circular Resonator for Generating Plane Spiral Orbital Angular MomentumWave[C]//2019Photonics&Electromagnetics Research Symposium-Fall(PIERS-Fall).IEEE,2019:1510-1514”的结构由30个具有全向辐射特性的偶极子天线和基于环形谐振器的HMSIW馈电网络构成。相比PSOAM阵列天线，其无需复杂的馈电网络且能产生高模态纯度的涡旋电磁波；相比谐振腔PSOAM天线，其具有实现多模PSOAM波束的能力。然而剖面较高仍是这种天线的缺点之一，非平面化的结构也使其不易集成于通信系统。同时，该天线的全向不圆度较大，不能满足实际应用对全向性提出的3dB不圆度的要求。
可见，实现圆极化PSOAM波束的同时，满足小型化、易集成和较好的不圆度是一项艰巨的工作。OAM在提供独特自由度的同时，还携有制约其实用的特性，其中包括相位奇点和波束分叉角，为了解决OAM波束在传播中遇到的问题，PSOAM天线应运而生。然而目前PSOAM天线的研究仍处于方法探索阶段，大部分现有天线剖面较高，极化方式的实用性和功能性不强，这对PSOAM天线与无线通信系统的兼容带来挑战。其中需要解决的问题主要有以下两个方面：
(1)低剖面PSOAM天线结构的研究尚未开展。天线的剖面是决定其与通信装备集成难易的关键因素。虽然目前PSOAM天线研究还处于产生方法的探索阶段，并没有对低剖面特性进行探讨，但低剖面特性对于天线集成的意义不容忽视。目前来看，基于UCA的PSOAM天线采用的是圆柱共形和嵌插两种结构，前者馈电网络采用的Butler矩阵，未与天线集成；后者结构紧凑但同样存在剖面较高的不足。而基于环形行波原理的PSOAM天线普遍存在尺寸较大，难以集成的问题。综上所述，目前PSOAM天线的实现方式较少，且剖面都较高，不利于集成。
(2)圆极化PSOAM天线的实现方法尚未探讨。由于OAM波束存在相位奇点和波束分叉角，这就对OAM波束的接收与解复用提出了挑战。而PSOAM波束横向传播的性质使其克服了这两点问题对波束接收的影响。但是目前PSOAM天线均为线极化，极化方式的实用性较弱。在天线信号的发射和接收中，必须综合考虑其极化角度来摆放天线的位置，避免因极化失配而引起极化损耗。综上所述，目前PSOAM天线的极化方式还较为单一，对信号的发射与接收提出了较大挑战。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术中在实现PSOAM波束的同时，无法满足天线低剖面和圆极化的要求。
解决以上问题及缺陷的难度为：实现圆极化PSOAM波束的难度在于，PSOAM天线是全向天线，其辐射方向为全向辐射，如果采用平面结构单元来组阵，可以通过将阵元沿着径向均匀分布来实现全向辐射，但是平面结构单元天线的圆极化基本是通过多层实现的，而且辐射方向是沿着多层排列的方向，这就导致在将他们做成平面阵列后，辐射方向不会沿着水平面实现均匀辐射。这样来说，选择垂直结构的端射天线是一个可行的选择，通过每个单元朝向不同角度进行辐射来覆盖水平面的辐射，然后采用垂直结构就会带来一个较为突出的问题，一是阵列设计的简单化，二是设计之初对天线低剖面的要求。因此，在低剖面PSOAM圆极化天线的设计中，对单元天线的剖面、辐射天线和设计难易性提出了迫切要求。
解决以上问题及缺陷的意义为：该天线辐射的涡旋电磁波能够提高通信容量，扩展复用的维度，小型化有利于其集成化发展，圆极化有利于其作为发射和接收端天线对电磁波的准确接收，这三者的结合具有较大价值。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种圆极化PSOAM阵列天线、控制方法、无线通信系统。
本发明是这样实现的，一种圆极化PSOAM阵列天线的控制方法，所述圆极化PSOAM阵列天线的控制方法包括：弯折单极子为L型单极子，通过调整L型单极子的弯折高度来改变阵列单元的电流水平分量和垂直分量，实现圆极化的设计。
本发明的另一目的在于提供一种圆极化PSOAM阵列天线，所述圆极化PSOAM阵列天线采用天馈一体化，由一块介质基板和一根同轴线馈电线缆组成；
其中，在介质板上表面，沿着特定半径的圆均匀分布着8个阵列单元；在介质板下表面，印刷有9端口的Wilkinson功分馈电网络。
进一步，所述介质基板上表面分布着八个相同的阵列单元，阵列单元天线包括四个弯折单极子，四个L型微带线和用于馈电的十字交叉微带线以及用于阻抗匹配的圆形金属片。
进一步，所述弯折单极子是将铜柱弯折90°来代替单极子。
进一步，所述用于阻抗匹配的圆形金属片位于阵列单元天线的中心位置，与十字交叉微带线共同组成单元的馈电线部分。
进一步，所述介质基板上的L型微带线和十字交叉馈线与倒L型单极子的水平段共同形成了两股呈水平的环形电流，而倒L型单极子的垂直段形成了四股垂直的线形电流。
进一步，所述弯折单极子为L型单极子，通过调整L型单极子的弯折高度来改变阵列单元的电流水平分量和垂直分量，实现圆极化的设计，降低阵列天线的剖面高度。
进一步，所述弯折单极子设置有八个弯折单极子的激励端口，分别以端口1至端口8表示，八个单元以原点为中心呈旋转对称分布，旋转角为45°；8个单元分别绕着各自的几何中心顺时针旋转15°；
八个输出端口的输出相位等效为0°，135°，270°，45°，180°，315°，90°和225°。
进一步，所述介质板顶部为辐射单元，底部是金属地，底部金属地的直径要略小于介质板的直径。
进一步，所述Wilkinson功分馈电网络为并联微带馈电网络的拓扑结构，它由7个三端口的Wilkinson功分器和7段用于移相的微带线组成，由它们构成一个540°的移相功分器，两个270°的移相功分器和四个135°的移相功分器。
进一步，所述同轴线馈电线缆外表皮接介质板下层的金属地，内芯通过介质板上的通孔与介质板上层的馈电网络输入端口相接。
本发明的另一目的在于提供一种无线通信系统，所述无线通信系统安装有所述的圆极化PSOAM阵列天线。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：由于OAM波束存在相位奇点和波束分叉角，这就对OAM波束的接收与解复用提出了挑战。而PSOAM波束横向传播的性质使其克服了这两点问题对波束接收的影响。但是目前PSOAM天线均为线极化，极化方式的实用性较弱。在天线信号的发射和接收中，必须综合考虑其极化角度来摆放天线的位置，避免因极化失配而引起极化损耗。综上所述，目前PSOAM天线的极化方式还较为单一，对信号的发射与接收提出了较大挑战。针对目前PSOAM天线剖面高、不圆度较大、极化方式实用性不强的问题，基于环形阵列产生PSOAM的原理，利用弯折单极子圆极化单元天线设计了一种低剖面全向特性较好的圆极化PSOAM阵列天线。
本发明解决了PSOAM天线极化单一的问题，并实现了PSOAM阵列天线的小型化。阵列天线的带宽为在2.05-2.96GHz内驻波比小于2。天线方向图在xoy面的不圆度小于2.56dB，满足全向性的要求。阵列的交叉极化(RHCP)与主极化(LHCP)之间大约有20dB的隔离度。阵列波束能量主要集中在θ＝90°方向上，意味着波束沿着横向传播。天线的仿真峰值增益为0.5dB，实测峰值增益为0.46dB。在最大辐射方向上(θ＝90°)，实测轴比在整个方向角平面内的数值范围为0.3dB到2.3dB。而且具有一定的3dB轴比波束宽度，其轴比小于3dB的θ角范围为[67°，107°]和[253°，293°]。在观测平面上可以看到代表涡旋模态的3条涡旋臂数清晰可见。阵列天线剖面高度仅为0.13λ0。本发明实现了圆极化。
附图说明
图1是本发明实施例提供的圆极化PSOAM阵列天线结构示意图。
图2是本发明实施例提供的天线斜视示意图。
图3是本发明实施例提供的天线底部示意图。
图4是本发明实施例提供的天线的S11曲线图。
图5是本发明实施例提供的天线的轴比曲线图；
图中：图a为θ＝90°；图b为
图6是本发明实施例提供的天线3D辐射方向图。
图7是本发明实施例提供的天线在观测表面的相位分布示意图。
图8是本发明实施例提供的N元天线阵电场叠加示意图。
图9是本发明实施例提供的环形阵列远场计算模型的示意图；图中(a)UCA模型；(b)远场计算模型。
图10是本发明实施例提供的方向图乘积定理示意图；图中：(a)阵因子；(b)单元天线；(c)阵列天线。
图11是本发明实施例提供的天线远场辐射特性的实测结果示意图；图中:(a)E面辐射方向图；(b)H面辐射方向图。
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。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种圆极化PSOAM阵列天线、控制方法、无线通信系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。
本发明提供的圆极化PSOAM阵列天线业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的圆极化PSOAM阵列天线仅仅是一个具体实施例而已。
如图1-图3所示，本发明实施例提供的圆极化PSOAM阵列天线采用采用天馈一体化设计，由一块介质基板和一根同轴线馈电线缆组成，其中，在介质板上表面，沿着特定半径的圆均匀分布着8个阵列单元2；在介质板上表面的中心位置，印刷有9端口的Wilkinson功分馈电网络；在介质板的下表面印刷有馈电网络1的金属地3。
介质基板上表面分布着八个相同的阵列单元，阵列单元天线包括四个弯折单极子，四个L型微带线和用于馈电的十字交叉微带线以及用于阻抗匹配的圆形金属片。弯折单极子是将铜柱弯折90°来代替单极子。用于阻抗匹配的圆形金属片位于阵列单元天线的中心位置，与十字交叉微带线共同组成单元的馈电线部分。介质基板上的L型微带线和十字交叉馈线与倒L型单极子的水平段共同形成了两股呈水平的环形电流，而倒L型单极子的垂直段形成了四股垂直的线形电流。
弯折单极子为L型单极子，通过调整L型单极子的弯折高度来改变阵列单元的电流水平分量和垂直分量，实现圆极化的设计，同时降低了阵列天线的剖面高度，采用天馈一体的设计也是实现低剖面的方法。
八个弯折单极子的激励端口分别以端口1至端口8表示，八个单元以原点为中心呈旋转对称分布，旋转角为45°。由于考虑到单元与馈电网络输出端口的连接，因此将8个单元分别绕着各自的几何中心顺时针旋转15°。八个输出端口的输出相位等效为0°，135°，270°，45°，180°，315°，90°和225°。
介质板顶部是辐射单元，底部是金属地。为了改善轴比，底部金属地的直径要略小于介质板的直径。
Wilkinson功分馈电网络为并联微带馈电网络的拓扑结构，它由7个三端口的Wilkinson功分器和7段用于移相的微带线组成，由它们构成一个540°的移相功分器，两个270°的移相功分器和四个135°的移相功分器。
同轴线馈电线缆外表皮接介质板下层的金属地，内芯通过介质板上的通孔与介质板上层的馈电网络输入端口相接。
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。
本发明首先对方向图乘积定理[90]的基本理论进行阐述，以便更好地解释基于环形阵列产生OAM波束的原理。为了使阐述过程简洁明了，在下面的理论分析过程中均假设阵元的辐射特性是相同的，且不把阵元间的互耦效应考虑在内。因此，如图8所示，阵列天线的总场可看作是阵元矢量电场的叠加。
假设坐标原点为相位参考中心，阵元分布相位参考中心附近，将第n个单元的相位中心记为cn(xn，yn，zn)，激励电流为In。第n个单元在观测点
产生的辐射场为：
式中，B是阵元的比例系数，rn是观测点到第n个阵元的距离，
是阵元的归一化方向函数。因为各阵元是相似的，所以每个阵元的B和
都相同。假设远场有以下近似关系：
其中，
rn≈r-er·cn (2-10)
cn＝xnex+yney+znez (2-12)
则有，
代入到公式(2-10)中：
将式(2-9)和(2-14)代入到式(2-8)，第n个阵元的辐射电场可表示为：
因为各个阵元的极化方向一致，因此阵列辐射场可看作是阵元辐射场叠加的标量和。故天线阵的总场可表示为：
得阵列天线的方向函数为：
式中，
为阵元的单元因子。因此，阵因子可表示为：
因此，可以得到关系式：
式(2-19)就是方向图乘积定理在环形阵列天线中的数学表达，它的物理含义为：环形阵列的方向图函数是阵因子方向图函数与单元方向图函数的乘积。这就说明，环形阵列天线的远场辐射特性由组阵方式和阵元特性共同决定。
如图9所示，用于理论计算的UCA由N个沿圆周摆放的相似元组成，a是阵列半径，所有单元都分布在平面，并且阵元的位置用方位角
表示。其中，N为单元个数，n为单元序数(n＝0，1，2，...，N-1)。
如图9所示，假设环形阵列中心就是相位参考中心O，r表示远场中的观测点
与相位参考中心之间的矢径。
用Pn＝[a cos(2πn/N)，a sin(2πn/N)，0]表示第n个阵元的坐标，用
表示信号入射的单位向量。同时，假设入射信号先到O点后到第n个阵元，那么第n阵元相对于O点的时延即可表达为：
相应的相移可表示为：
令激励源为
I是电流幅度，βn是第n个激励源的相位。同样地，电场总的矢量和可以用标量和来表示，即可表示为：
其中，阵因子为：
为了获得l模数的OAM电磁波，令
由(2-23)可得：
当阵元数N足够大，即
足够小时，上述公式可整合为：
其中，Jl(2πaλsinθ)是第l阶第一类Bessel函数，aλ是阵列半径的电尺寸长度，k表示波数。
由式(2-25)中可知，UCA的阵因子中包含OAM的相位因子
由此可以证明，在等幅、恒定相差的激励下，UCA具有产生OAM波束的能力。其中，恒定相差为2πl/N，即当电磁波沿着传播轴向前旋转一周后，其空间相位会产生2πl的变化。因此，辐射电场在
平面内也会有2πl的相差产生，而l模数的涡旋电磁波就是其表现形式。由此可以推及，虽然上述分析中阵列单元采用的是各向同性的理想单元，但是均匀环形阵列能够产生轨道角动量对采用其他单元天线的阵列也是适用的。
另外，UCA的阵元数目N决定了利用其能够实现的最大OAM模数l。预测了阵元数量与可产生模数之间的关系：-N/2＜l＜N/2。综上所述，当N＝8时，UCA理论上可以产生七种模态，即l＝0，±1，±2，±3，此时相邻阵元对应的连续相位差分别为0°，±45°，±90°，±135°。
由此可见，对于环形阵列天线而言，要将OAM波束转换成PSOAM波束，就必须对阵列天线的排列方式和单元结构进行合理设计。因此，环形阵列天线产生PSOAM的原理可以概括为：在基于均匀环形阵列产生涡旋电磁波的基础上，通过特殊的阵列排列方式来使波束能量集中在
平面。实现形式主要有两种：一种是利用定向单元天线进行组阵，使能量均匀地覆盖整个方向角平面；另一种是利用全向单元天线进行组阵，由上述对方向图乘积定理的分析可知，这种组阵方式下的阵列方向图仍保持全向辐射的特性。在本发明中，基于第一种实现方式，将微带八木定向天线组成如图10的(b)中的环形阵列，利用单元天线的定向性使其波束沿着半径向外辐射，阵列波束经叠加后形成全向均匀辐射的PSOAM波束。基于第二种实现方式，单元选择弯折单极子全向天线，利用环形阵列阵因子方向图的边射特性，由其组成的阵列即可实现PSOAM波束，其中上面运用到的方向图乘积定理示意图见图10。
需要注意的一点是，为了得到更好的全向边射的方向图，
平面内的不圆度必须小于3dB，这就要求阵元在xoy面上的半功率波束宽度满足一定的条件，即HPBWxoy≥45°。同时阵列半径也是影响波束合成的关键因素，为了实现涡旋电磁波的同时保证拥有较好的全向性，在设计中需对阵列半径进行合理选择。
下面结合仿真实验对本发明的技术效果作进一步的描述。
本发明解决了PSOAM天线极化单一的问题，并实现了PSOAM阵列天线的小型化。阵列天线的带宽为在2.05-2.96GHz内驻波比小于2。天线方向图在xoy面的不圆度小于2.56dB，满足全向性的要求。阵列的交叉极化(RHCP)与主极化(LHCP)之间大约有20dB的隔离度。阵列波束能量主要集中在θ＝90°方向上，意味着波束沿着横向传播。天线的仿真峰值增益为0.5dB，实测峰值增益为0.46dB。在最大辐射方向上(θ＝90°)，实测轴比在整个方向角平面内的数值范围为0.3dB到2.3dB。而且具有一定的3dB轴比波束宽度，其轴比小于3dB的θ角范围为[67°，107°]和[253°，293°]。在观测平面上可以看到代表涡旋模态的3条涡旋臂数清晰可见。阵列天线剖面高度仅为0.13λ0。本发明实现了圆极化。如图11所示，天线远场辐射特性的实测结果示意图；图11中的(a)E面辐射方向图；(b)H面辐射方向图。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种圆极化PSOAM阵列天线的控制方法，其特征在于，所述圆极化PSOAM阵列天线的控制方法包括：弯折单极子为L型单极子，通过调整L型单极子的弯折高度来改变阵列单元的电流水平分量和垂直分量，实现圆极化的设计。
2.一种采用权利要求1所述圆极化PSOAM阵列天线的控制方法的圆极化PSOAM阵列天线，其特征在于，所述圆极化PSOAM阵列天线采用天馈一体化，由一块介质基板和一根同轴线馈电线缆组成；
其中，在介质板上表面，沿着特定半径的圆均匀分布着8个阵列单元；在介质板下表面，印刷有9端口的Wilkinson功分馈电网络。
3.如权利要求2所述的圆极化PSOAM阵列天线，其特征在于，所述介质基板上表面分布着八个相同的阵列单元，阵列单元天线包括四个弯折单极子，四个L型微带线和用于馈电的十字交叉微带线以及用于阻抗匹配的圆形金属片。
4.如权利要求3所述的圆极化PSOAM阵列天线，其特征在于，所述弯折单极子是将铜柱弯折90°来代替单极子。
5.如权利要求3所述的圆极化PSOAM阵列天线，其特征在于，所述用于阻抗匹配的圆形金属片位于阵列单元天线的中心位置，与十字交叉微带线共同组成单元的馈电线部分。
6.如权利要求3所述的圆极化PSOAM阵列天线，其特征在于，所述介质基板上的L型微带线和十字交叉馈线与倒L型单极子的水平段共同形成了两股呈水平的环形电流，而倒L型单极子的垂直段形成了四股垂直的线形电流。
7.如权利要求3所述的圆极化PSOAM阵列天线，其特征在于，所述弯折单极子为L型单极子，通过调整L型单极子的弯折高度来改变阵列单元的电流水平分量和垂直分量，实现圆极化的设计，降低阵列天线的剖面高度。
8.如权利要求3所述的圆极化PSOAM阵列天线，其特征在于，所述弯折单极子设置有八个弯折单极子的激励端口，分别以端口1至端口8表示，八个单元以原点为中心呈旋转对称分布，旋转角为45°；8个单元分别绕着各自的几何中心顺时针旋转15°；
八个输出端口的输出相位等效为0°，135°，270°，45°，180°，315°，90°和225°。
9.如权利要求2所述的圆极化PSOAM阵列天线，其特征在于，所述介质板顶部为辐射单元，底部是金属地，底部金属地的直径要略小于介质板的直径；
所述Wilkinson功分馈电网络为并联微带馈电网络的拓扑结构，它由7个三端口的Wilkinson功分器和7段用于移相的微带线组成，由它们构成一个540°的移相功分器，两个270°的移相功分器和四个135°的移相功分器；
所述同轴线馈电线缆外表皮接介质板下层的金属地，内芯通过介质板上的通孔与介质板上层的馈电网络输入端口相接。
10.一种无线通信系统，其特征在于，所述无线通信系统安装有权利要求2～9任意一项所述的圆极化PSOAM阵列天线。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111065193.5A CN113937509A (zh) | 2021-09-11 | 2021-09-11 | 一种圆极化psoam阵列天线、控制方法、无线通信系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111065193.5A CN113937509A (zh) | 2021-09-11 | 2021-09-11 | 一种圆极化psoam阵列天线、控制方法、无线通信系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113937509A true CN113937509A (zh) | 2022-01-14 |
Family
ID=79275494
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111065193.5A Pending CN113937509A (zh) | 2021-09-11 | 2021-09-11 | 一种圆极化psoam阵列天线、控制方法、无线通信系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113937509A (zh) |
-
2021
- 2021-09-11 CN CN202111065193.5A patent/CN113937509A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| AU2004302158B2 (en) | Wideband phased array radiator | |
| Xia et al. | Compact dual-frequency antenna array with large frequency ratio | |
| CN112117532B (zh) | 基于微带天线的紧凑型低耦合三极化回溯阵及三极化mimo天线单元 | |
| US9263807B2 (en) | Waveguide or slot radiator for wide E-plane radiation pattern beamwidth with additional structures for dual polarized operation and beamwidth control | |
| Feng et al. | High-performance dual circularly-polarized antenna arrays using 3D printing for 5G millimetre-wave communications | |
| Yan et al. | Hemispheric conformal wide beamwidth circularly polarized antenna based on two pairs of curved orthogonal dipoles in space | |
| Zhu et al. | Butler matrix based multi-beam base station antenna array | |
| WO2019100376A1 (zh) | 全向阵列天线及其波束赋形方法 | |
| CN216120772U (zh) | 一种圆极化psoam阵列天线、无线通信系统 | |
| CN111969335A (zh) | 一种共形双极化二维单脉冲端射阵列天线 | |
| Xue et al. | Patch fed planar dielectric slab extended hemi-elliptical lens antenna | |
| Strauss et al. | A circular polarized tem horn antenna array with large scanning angle | |
| Hirokawa | Plate-laminated waveguide slot array antennas and its polarization conversion layers | |
| CN113937509A (zh) | 一种圆极化psoam阵列天线、控制方法、无线通信系统 | |
| Xu et al. | A Highly Selective Reflectarray Using ME Dipole Element with Gain Filtering Characteristic | |
| Fu et al. | A foldable tightly coupled crossed rings antenna array of ultrawide bandwidth and dual polarization | |
| Lo et al. | Wideband Millimetre-wave Dielectric Resonator Antenna fed by a Wide Aperture | |
| Shafai et al. | Circularly polarized antennas | |
| Hu et al. | A Dual-Channel Linear-to-Circular Polarization Conversion Transmitarray With Independent Wavefront Control Capability | |
| Wu et al. | 3D-Printed Ka-Band Circularly-Polarized Monopulse Antenna Array with High Gain and Low Axial Ratio | |
| Geng | Omnidirectional Slots Antenna | |
| US20230378662A1 (en) | Uwb vivaldi array antenna | |
| Fu et al. | Low-cost Conformal Transmit-Reflect-Array Antenna for Unmanned Aerial Vehicle Relay Communications | |
| Teimouri et al. | A Ku-Band dual-sense CP array antenna with polarization converter element | |
| Singh et al. | Beam-Steering Antennas Using Semi-Periodic Metasurfaces |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |