CN114628893A - 一种s波段频率重构轨道角动量天线及频率重构方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种S波段频率重构轨道角动量天线及频率重构方法，属于轨道角动量天线技术领域。包括：下介质基板和多个阵列单元。每个所述阵列单元均包括：金属贴片、上介质基板、外环、内环、同轴馈线、四个金属探针和四个二极管。在本发明中，通过加载电压控制每个阵列单元上所有二极管的偏置状态，当所有二极管均处于正向偏置状态时，天线工作在高频；当所有二极管均处于反向偏置状态时，天线工作在低频。本发明的S波段频率重构轨道角动量天线具有频率可重构和辐射两种轨道角动量模式数的特点，并且在宽频带上保持稳定增益。

Description

一种S波段频率重构轨道角动量天线及频率重构方法
技术领域
本发明属于轨道角动量天线技术领域，具体涉及一种S波段频率重构轨道角动量天线及频率重构方法。
背景技术
S波段是指频率范围在2—4GHz的电磁波频段，用途广泛，雷达，中继，测控网等都应用在S波段，同时还具有很多优势，雷达测量元素多，精度高，实用性强，而且在S波段的设备的设计上易于采用多功能、多用途，比如多频天线，共口径天线等。
OAM(Orbital Angular Momentum，轨道角动量)天线作为自带轨道角动量的一种天线，由于在阵前带有一个旋转因子，故可以产生电磁涡旋波，OAM天线用不同模态涡旋电磁波间的正交模式同时传输多个模态信号，因此OAM天线可以带有不同的正交模式，由于理论上正交模式可以随着模式数改变，模式数可以取任意实数，并且没有上限，所以如果使用涡旋电磁波传输信号，在模分复用的条件下可以无限制增加带宽。2014年，Q.Bai,A.Tennant and B.Allen提出了八阵元圆形排列的涡旋波天线阵列，每个单元由微带天线组成，通过相邻辐射端口相差45度相位馈电实现电磁涡旋波的辐射，该天线通过单层布局实现了0，±1，±2五种模式，但是只有单一频点，带宽较窄。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种S波段频率重构轨道角动量天线及频率重构方法。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种S波段频率重构轨道角动量天线，包括：下介质基板和多个阵列单元；
所述下介质基板的上表面和下表面均设置有金属覆铜区和裸露区；多个所述阵列单元呈圆形阵列均匀分布在所述下介质基板的上表面的裸露区；
每个所述阵列单元均包括：
金属贴片，固定在所述下介质基板的上表面的裸露区；
上介质基板，对应所述金属贴片设置，所述上介质基板与金属贴片中间形成空气层间隔；所述上介质基板的上表面分布有金属覆铜区和裸露区；
外环，固定在所述上介质基板的裸露区；
内环，固定在所述外环内；
同轴馈线，固定在所述下介质基板内，所述同轴馈线的一端与金属贴片连接，另一端与金属地板和所述下介质基板的下表面的金属覆铜区连接；
四个金属探针，固定在所述下介质基板内，每个所述金属探针的一端与金属贴片连接；
四个二极管，固定在所述下介质基板的下表面的裸露区；每个所述二极管的一端与对应位置的所述金属探针连接，另一端接下介质基板的下表面的金属覆铜区。
优选的，
所述阵列单元的数量为八个；
八个所述阵列单元以所述圆形阵列的中心为对称旋转中心，呈中心对称分布；
八个所述阵列单元呈顺时针或逆时针依次递增旋转45度；
位于圆形阵列中轴线上阵列单元的中轴线与所述圆形阵列的中轴线的夹角为90度。
优选的，
每个所述阵列单元中的四个金属探针以金属贴片的中线为轴对称分布。
优选的，
每个所述阵列单元中的四个二极管以金属贴片的中线为轴对称分布。
优选的，所述圆形阵列的半径R为所述圆形阵列的阵中心到任一个所述阵列单元的距离，所述圆形阵列的半径R≥0.6λ，λ为自由空间中心频率下的波长。
优选的，所述空气层间隔的高度为5mm。
优选的，所述金属覆铜区的覆铜厚度为18微米或35微米。
优选的，
所述下介质基板和多个所述上介质基板的板材均为Rogers5880；
每个所述上介质基板的厚度为3.048mm；
所述下介质基板的厚度为3.175mm。
一种S波段频率重构轨道角动量天线的频率重构方法，包括以下步骤：
加载电压控制每个阵列单元上所有二极管的偏置状态；
当每个阵列单元上所有二极管均处于正向偏置状态时，对应的阵列单元上的四个金属探针与金属地面连接为等效电阻，天线工作在高频；当每个阵列单元上所有二极管均处于反向偏置状态时，对应的阵列单元上的四个金属探针与金属地面之间连接为等效电容，天线工作在低频。
本发明提供的S波段频率重构轨道角动量天线及频率重构方法具有以下有益效果：1.本发明的频率可重构特性可以在双频点切换，分别工作在两个频段。2.本发明通过简易的寄生结构实现带宽的提升。3.本发明通过多个呈圆形阵列排布的阵列单元实现两种模式的轨道角动量，单元数量越多，可实现的轨道角动量模式数就越多。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例及其设计方案，下面将对本实施例所需的附图作简单地介绍。下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1的S波段频率重构轨道角动量天线的结构示意图；
图2为本发明实施例1的阵列单元的结构示意图；
图3为本发明实施例1的外环与外环的连接示意图；
图4为本发明实施例1的四个金属探针与同轴线的结构示意图；
图5为本发明实施例1的S波段频率重构轨道角动量天线的俯视图；
图6为本发明实施例1的S波段频率重构轨道角动量天线的背视图；
图7为本发明实施例1的回波损耗的参数示意图；
图8为本发明实施例1在2.61GHz频点、模式+1的辐射图；
图9为本发明实施例1在2.61GHz频点、模式+2的辐射图；
图10为本发明实施例1在3.55GHz频点、模式+1的辐射图；
图11为本发明实施例1在3.55GHz频点、模式+2的辐射图；
图12为本发明实施例1在2.61GHz及3.55GHz频点在不同模式下的相位图；图12(a)为2.61GH、模式+1的辐射图；图12(b)为2.61GH、模式+2的辐射图；图12(c)为3.55GH、模式+1的辐射图；图12(d)为3.55GH、模式+2的辐射图。
附图标记说明：
1、下介质基板；2、阵列单元；201、金属贴片；202、上介质基板；203、同轴馈线；204、金属探针；205、二极管；206、外环；207、内环。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案并能予以实施，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”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的技术方案和简化描述，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”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定或限定，术语“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。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，在此不再详述。
实施例1
参阅图1，一种S波段频率重构轨道角动量天线，包括：下介质基板1和多个阵列单元2。下介质基板1的上表面和下表面均设置有金属覆铜区和裸露区；多个阵列单元2呈圆形阵列均匀分布在下介质基板1的上表面的裸露区。参阅图2，每个阵列单元2均包括：金属贴片201、上介质基板202、外环206、内环207、同轴馈线203、四个金属探针204和四个二极管205。金属贴片201固定在下介质基板1的上表面的裸露区。参阅图4，上介质基板202对应金属贴片201设置，上介质基板202与金属贴片201中间形成空气层间隔；上介质基板202的上表面分布有金属覆铜区和裸露区。外环206固定在上介质基板202的裸露区。参阅图3，内环207固定在外环206内。同轴馈线203固定在下介质基板1内，同轴馈线203的一端与金属贴片201连接，另一端与金属地板和下介质基板1的下表面的金属覆铜区连接。四个金属探针204固定在下介质基板1内，每个金属探针204的一端与金属贴片201连接。四个二极管205固定在下介质基板1的下表面的裸露区；每个二极管205的一端与对应位置的金属探针204连接，另一端接下介质基板1的下表面的金属覆铜区。
在本实施例中，外环206尺寸为24.4mm，宽度3mm，的内环207尺寸为17.8mm，宽度1mm。参阅图5和图6，阵列单元2的数量为八个，八个阵列单元2以圆形阵列的中心为对称旋转中心，呈中心对称分布，八个阵列单元2呈顺时针或逆时针依次递增旋转45度，位于圆形阵列中轴线上阵列单元2的中轴线与圆形阵列的中轴线的夹角为90度，每个金属贴片201中心与下层介质基板圆心的距离为94mm。每个阵列单元2中的四个金属探针204以金属贴片201的中线为轴对称分布。金属贴片201的尺寸为40.8mm×32.96mm。每个阵列单元2中的四个二极管205以金属贴片201的中线为轴对称分布。圆形阵列的半径R为圆形阵列的阵中心到任一个阵列单元2的距离，圆形阵列的半径R≥0.6λ，λ为自由空间中心频率下的波长。空气层间隔的高度为5mm。金属覆铜区的覆铜厚度为18微米或35微米。下介质基板1和多个上介质基板202的板材均为Rogers5880；每个上介质基板202的厚度为3.048mm，宽度为W＝40.5mm，长度为L＝32.4mm，相对介电常数为2.2，正切损耗tanδ＝0.0009；下介质基板1的厚度为3.175mm，相对介电常数为2.2，tanδ＝0.0009，下介质基板1的半径尺寸为163.2mm。二极管205的型号采用BAR64-02V。
一种S波段频率重构轨道角动量天线的频率重构方法，包括以下步骤：加载电压控制每个阵列单元2上所有二极管205的偏置状态；当每个阵列单元2上所有二极管205均处于正向偏置状态时，对应的阵列单元2上的四个金属探针204与金属地面连接为等效电阻，天线工作在高频；当每个阵列单元2上所有二极管205均处于反向偏置状态时，对应的阵列单元2上的四个金属探针204与金属地面之间连接为等效电容，天线工作在低频。在本实施例中，天线工作频率在2.61/3.55GHz，覆盖了2.56-2.83GHz和3.34-3.68GHz两个频率范围，相对带宽超过10％，满足宽频带需求。
实验中本发明仿真的反射系数结果图参阅图7；其结果表明，本发明的一种S波段频率可重构轨道角动量天线存在两个可调工作频带，分别工作在2.61/3.55GHz，覆盖了2.56-2.79GHz和3.34-3.68GHz两个频段范围。
实验中本发明的XOZ及YOZ面的天线辐射方向图参阅图8至图11，可以看出本发明能两个频点下正常工作，并能在两种模式下产生定向辐射，在四种有效模态下辐射电磁涡旋波。其中图8展示了2.61GHz、模式+1的工作情况，其中图9展示了2.61GHz、模式+2的工作情况，其中图10展示了3.55GHz、模式+1的工作情况，其中图11展示了3.55.GHz、模式+2的工作情况。
实验中本发明的不同频点下的相位图参阅图12，图12(a)为2.61GH、模式+1的辐射图；图12(b)为2.61GH、模式+2的辐射图；图12(c)为3.55GH、模式+1的辐射图；图12(d)为3.55GH、模式+2的辐射图，说明天线产生了螺旋相位结构的电磁波，展现出良好的涡旋波特性。
以上实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种S波段频率重构轨道角动量天线，其特征在于，包括：下介质基板(1)和多个阵列单元(2)；
所述下介质基板(1)的上表面和下表面均设置有金属覆铜区和裸露区；多个所述阵列单元(2)呈圆形阵列均匀分布在所述下介质基板(1)的上表面的裸露区；
每个所述阵列单元(2)均包括：
金属贴片(201)，固定在所述下介质基板(1)的上表面的裸露区；
上介质基板(202)，对应所述金属贴片(201)设置，所述上介质基板(202)与金属贴片(201)中间形成空气层间隔；所述上介质基板(202)的上表面分布有金属覆铜区和裸露区；
外环(206)，固定在所述上介质基板(202)的裸露区；
内环(207)，固定在所述外环(206)内；
同轴馈线(203)，固定在所述下介质基板(1)内，所述同轴馈线(203)的一端与金属贴片(201)连接，另一端与金属地板和所述下介质基板(1)的下表面的金属覆铜区连接；
四个金属探针(204)，固定在所述下介质基板(1)内，每个所述金属探针(204)的一端与金属贴片(201)连接；
四个二极管(205)，固定在所述下介质基板(1)的下表面的裸露区；每个所述二极管(205)的一端与对应位置的所述金属探针(204)连接，另一端接下介质基板(1)的下表面的金属覆铜区。
2.根据权利要求1所述的S波段频率重构轨道角动量天线，其特征在于，
所述阵列单元(2)的数量为八个；
八个所述阵列单元(2)以所述圆形阵列的中心为对称旋转中心，呈中心对称分布；
八个所述阵列单元(2)呈顺时针或逆时针依次递增旋转45度；
位于圆形阵列中轴线上阵列单元(2)的中轴线与所述圆形阵列的中轴线的夹角为90度。
3.根据权利要求1所述的S波段频率重构轨道角动量天线，其特征在于，
每个所述阵列单元(2)中的四个金属探针(204)以金属贴片(201)的中线为轴对称分布。
4.根据权利要求1所述的S波段频率重构轨道角动量天线，其特征在于，
每个所述阵列单元(2)中的四个二极管(205)以金属贴片(201)的中线为轴对称分布。
5.根据权利要求1所述的S波段频率重构轨道角动量天线，其特征在于，所述圆形阵列的半径R为所述圆形阵列的阵中心到任一个所述阵列单元(2)的距离，所述圆形阵列的半径R≥0.6λ，λ为自由空间中心频率下的波长。
6.根据权利要求1所述的S波段频率重构轨道角动量天线，其特征在于，所述空气层间隔的高度为5mm。
7.根据权利要求1所述的S波段频率重构轨道角动量天线，其特征在于，所述金属覆铜区的覆铜厚度为18微米或35微米。
8.根据权利要求1所述的S波段频率重构轨道角动量天线，其特征在于，
所述下介质基板(1)和多个所述上介质基板(202)的板材均为Rogers5880；
每个所述上介质基板(202)的厚度为3.048mm；
所述下介质基板(1)的厚度为3.175mm。
9.一种根据权利要求1-8任一项所述的S波段频率重构轨道角动量天线的频率重构方法，其特征在于，包括以下步骤：
加载电压控制每个阵列单元(2)上所有二极管(205)的偏置状态；
当每个阵列单元(2)上所有二极管(205)均处于正向偏置状态时，对应的阵列单元(2)上的四个金属探针(204)与金属地面连接为等效电阻，天线工作在高频；当每个阵列单元(2)上所有二极管(205)均处于反向偏置状态时，对应的阵列单元(2)上的四个金属探针(204)与金属地面之间连接为等效电容，天线工作在低频。
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