CN114914669A - 一种具有多模态的宽带平面涡旋波天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有多模态的宽带平面涡旋波天线，包括OAM阵列天线和金属地板；OAM阵列天线包括介质基板、沿介质基板周向均匀且呈中心对称排列的N个分形结构天线单元；介质基板为切角圆板，其外缘设有N个直线切角段；每个分形结构天线单元均包括六边形分形贴片、馈电线和缺陷地板；六边形分形贴片布设在介质基板顶面，一个顶角与馈电线内侧端相连接；缺陷地板设在馈电线正下方的介质基板底面上，且呈矩形，其外侧长边与对应直线切角段的外缘对齐。本发明能缓解传统微带单元带宽较窄问题，采用超宽带单元设计，通过加金属地板使天线具有一定的定向性，能在不同馈电情况下产生±1、±2和±3六种OAM模态，且模态纯度较高，发散角较小。

Description

一种具有多模态的宽带平面涡旋波天线
技术领域
本发明涉及微波与天线技术领域，特别是一种具有多模态的宽带平面涡旋波天线。
背景技术
由于大多数无线通信系统对更宽频带、更高速率的追求与日俱增，且现有的时分、频分、码分和空分等复用技术通信容量接近香农极限，如何利用有限的频谱资源和信道容量进行更高效的数据传输成了研究的热点问题。由此看来，研究可以提高频谱使用率的新方法变得格外重要。于是轨道角动量(OAM)复用技术得到迅速发展。
由经典的麦克斯韦电磁理论，电磁辐射可同时携带能量和动量，其中动量包括线性动量和角动量，这里的角动量又可分为两种：自旋角动量(SAM)以及轨道角动量(OAM)。其中轨道角动量OAM的特点体现在空间分布上。OAM的本征态携带一种旋转因子，使得OAM波在空间中具有涡旋特性。理论上，本征值l能够取任意值，但因为场的单值约束，非整数的本征态可由整数本征态叠加而成，所以一般默认本征值为整数。这里的本征态数值l体现了涡旋波的空间结构，本征值为l，表明绕涡旋中心旋转l周，其相位将变化l个2π。
轨道角动量作为一种新兴的复用技术，它对频谱利用率的提升比传统复用技术更明显，从而实现在某一特定频段获得更大的传输容量。目前，涡旋波电磁波天线设计主要采用的方式主要有螺旋相位板、螺旋抛物面、阵列天线和超表面天线等。相比其他OAM波束生成方法，微带阵列天线具有体积小、重量轻、成本低、易于制造等优点。
但是带宽窄、阻抗匹配网络复杂和实现多模较困难成了OAM微带阵列天线的突出问题，对于中小型尺寸的天线而言，天线单元的带宽是限制天线整体带宽的主要因素。为了实现OAM阵列的宽带化，需要对天线单元进行合理设计。为了使天线可以产生多个高纯度OAM模态，需要合理排布单元摆放，充分考虑馈电方式，进行合理设计。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种具有多模态的宽带平面涡旋波天线，该具有多模态的宽带平面涡旋波天线能缓解传统微带单元带宽较窄问题，采用超宽带单元设计，通过加金属地板使天线具有一定的定向性，此OAM阵列天线在不同馈电情况下可产生±1、±2和±3六种OAM模态，且模态纯度较高，发散角较小。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种具有多模态的宽带平面涡旋波天线，包括OAM阵列天线和同轴设置在OAM阵列天线下方的金属地板。
OAM阵列天线包括介质基板、沿介质基板周向均匀且呈中心对称排列的N个分形结构天线单元；其中，N为不小于2的偶数。
介质基板为切角圆板，介质基板的外缘沿周向均匀设置有N个直线切角段，每个直线切角段均与介质基板的切线相平行。
每个分形结构天线单元均包括六边形分形贴片、馈电线和缺陷地板。
馈电线沿径向布设在介质基板顶面，外侧端与对应直线切角段相对齐。
六边形分形贴片布设在馈电线内侧的介质基板顶面，且关于馈电线对称；六边形分形贴片的其中一个顶角与馈电线内侧端相连接。
缺陷地板设置在馈电线正下方的介质基板底面上；缺陷地板呈矩形，且关于馈电线对称；缺陷地板的外侧长边与对应直线切角段的外缘对齐。
六边形分形贴片为Sierpinski一阶分形六边形结构，具有正六边形外轮廓和正六边形内轮廓。
缺陷地板的长度不小于六边形分形贴片的高，缺陷地板的宽度小于馈电线的长度。
介质基板的半径为r1＝110mm，介质基板圆心至直线切角段的距离为r2＝106mm，馈电线的宽度为w1＝2mm，缺陷地板的长度为w2＝28mm，缺陷地板的宽度为l2＝5.2mm，直线切角段的长度为w3＝58.79mm，馈电线的长度为l1＝6.577mm，正六边形外轮廓中不与馈电线连接的边长a1＝14.9mm，正六边形外轮廓中与馈电线连接的边长为13.8mm，正六边形内轮廓的边长a2＝4mm。
金属地板为圆形板，金属地板的直径不小于介质基板的最大外径。
金属地板的直径不小于介质基板最大外径的1.2倍，且金属地板与介质基板之间的距离不小于10mm。
金属地板的直径r3＝140mm，金属地板与介质基板之间的距离h1＝20mm。
N＝8。
通过馈电线调节八个分形结构天线单元的馈电相位，能产生±1、±2和±3六种OAM模态。
在八个分形结构天线单元中任选一个分形结构天线单元作为初始单元，并使初始单元的馈电相位为0°。
其余七个分形结构天线单元：
当顺时针递增45°为相位梯度馈电时，则能生成-1模OAM波。
当顺时针递增90°为相位梯度馈电时，则能生成-2模OAM波。
当顺时针递增135°为相位梯度馈电时，则能生成-3模OAM波。
当逆时针递增45°为相位梯度馈电时，则能生成+1模OAM波。
当逆时针递增90°为相位梯度馈电时，则能生成+2模OAM波。
当逆时针递增135°为相位梯度馈电时，则能生成+3模OAM波。
在2.87-4.73GHz范围内，相对阻抗带宽能达到45％以上。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明提出的OAM阵列天线结构简单，采用分形结构有较好的自适应性。
2、本发明采用缺陷地板设计，能实现超宽带天线，同时下方的金属地板反射电磁波使辐射集中在天线上方，具有一定的定向性。
3、本发明的宽带涡旋波平面阵列天线辐射性能优良，工作频段为中心频率为3.7GHz，相对阻抗带宽为45.28％。
4、本发明的OAM阵列天线在不同馈电情况下，能产生±1、±2和±3六种OAM模态，且模态纯度较高，发散角较小，天线结构简单，易于工程实现。
附图说明
图1显示了本发明一种具有多模态的宽带平面涡旋波天线的结构模型示意图。
图2显示了本发明具有多模态的宽带平面涡旋波天线的辐射面示意图。
图3显示了本发明具有多模态的宽带平面涡旋波天线的背面示意图。
图4显示了本发明中分形结构天线单元的结构侧视图。
图5显示了本发明中分形结构天线单元的辐射面示意图。
图6显示了本发明中分形结构天线单元的背面结构示意图。
图7显示了本发明中分形结构天线单元的回波损耗图。
图8显示了本发明具有多模态的宽带平面涡旋波天线的回波损耗图。
图9显示了本发明具有多模态的宽带平面涡旋波天线的-1模态E面方向图。
图10显示了本发明具有多模态的宽带平面涡旋波天线的-2模态E面方向图。
图11显示了本发明具有多模态的宽带平面涡旋波天线的-3模态E面方向图。
图12显示了本发明具有多模态的宽带平面涡旋波天线的各OAM模态电场幅度相位分布图。
图13显示了本发明具有多模态的宽带平面涡旋波天线的各OAM模态纯度图。
图14显示了均匀圆形天线阵列生成OAM波的示意图。
其中有：
10.六边形分形贴片；101.Sierpinski一阶分形六边形结构；102.馈电线；
20.金属地板；
30.缺陷地板；
40.分形结构天线单元；
50.介质基板；51.直线切角段。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”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，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
如图1、图2和图3所示，一种具有多模态的宽带平面涡旋波天线，包括OAM阵列天线和同轴设置在OAM阵列天线下方的金属地板20。
OAM阵列天线包括介质基板50、沿介质基板周向均匀且呈中心对称排列的N个分形结构天线单元40；其中，N为不小于2的偶数，本实施例中，N＝8。
上述介质基板优选采用单层介质结构，单层介质厚度为1.5mm，介电常数为2.2，损耗角正切为0.004。
进一步，介质基板为切角圆板，介质基板的外缘沿周向均匀设置有N＝8个直线切角段51，每个直线切角段均与介质基板的切线相平行。
本实施例中，介质基板的半径为r1＝110mm，介质基板圆心至直线切角段的距离为r2＝106mm，直线切角段的长度为w3＝58.79mm。
上述金属地板优选为圆形板，金属地板的直径不小于介质基板的最大外径。
进一步，金属地板的直径优选不小于介质基板最大外径的1.2倍，且金属地板与介质基板之间的距优选不小于10mm。
在本实施例中，金属地板的直径r3＝140mm，金属地板与介质基板之间的距离h1＝20mm。
如图4、图5和图6所示，每个分形结构天线单元均优选包括六边形分形贴片10、馈电线102和缺陷地板30。
馈电线沿径向布设在介质基板顶面，外侧端与对应直线切角段相对齐。在本实施例中，馈电线的宽度为w1＝2mm，馈电线的长度为l1＝6.577mm。
六边形分形贴片布设在馈电线内侧的介质基板顶面，且关于馈电线对称；六边形分形贴片的其中一个顶角与馈电线内侧端相连接。
六边形分形贴片优选为Sierpinski一阶分形六边形结构101，具有正六边形外轮廓和正六边形内轮廓。
在本实施例中，正六边形外轮廓中不与馈电线连接的边长a1＝14.9mm，正六边形外轮廓中与馈电线连接的边长为13.8mm，正六边形内轮廓的边长a2＝4mm。
缺陷地板设置在馈电线正下方的介质基板底面上；缺陷地板呈矩形，且关于馈电线对称；缺陷地板的外侧长边与对应直线切角段的外缘对齐。
进一步，缺陷地板的长度不小于六边形分形贴片的高，缺陷地板的宽度小于馈电线的长度。在本实施例中，缺陷地板的长度为w2＝28mm，缺陷地板的宽度为l2＝5.2mm。
如图14所示，以介质基板的圆心为原点O，以介质基板所在水平面为XOY平面，过原点O且垂直向上为Z轴正方向。则金属地板的设置，能使在介质基板下方h1处反射天线z轴负方向的电磁波，使辐射在z轴正方向叠加，使得天线具有一定的定向性，且z轴正向增益提高。
本文采用均匀圆形天线阵列生成OAM波。将若干个个天线阵子(也即分形结构天线单元)在圆阵上均匀放置，给予每个天线阵子相同幅度激励，调制每个天线阵子之间的相位，使其等梯度递增，使得电磁波在空间中辐射的能量重新分配，其中某些区域的场增强，而某些区域的场减弱，电磁波具有了螺旋相位波前，由此产生了携带轨道角动量的涡旋电磁波。调整单元间梯度相位的大小便可以获得不同模态的OAM波。
如图14所示，在半径为a的圆周上均匀放置着N＝12个相同的天线阵子，构成了一个均匀圆形天线阵列，令该均匀圆形天线阵列位于XOY平面上。图14中，θ为天线阵子的俯仰角，
Figure BDA0003668880210000051
为天线阵子的方位角，
Figure BDA0003668880210000052
为第n个天线阵子的方位角，P为一远场点。
当1≤n≤N时，第n个天线阵子的激励In为：
Figure BDA0003668880210000053
其中，I为第n个天线阵子激励的幅度，βn为第n个天线阵子的激励相位，j为虚数单位。
通过对每个天线阵子在远场点的场进行叠加，当天线阵子总数N趋近于无穷时可以得到该均匀圆形天线阵列的远场阵因子
Figure BDA0003668880210000054
为：
Figure BDA0003668880210000055
其中，JH表示电流密度，k为波数，a为阵列天线半径(本实施例中a＝r1)；K1为常数与参考天线的选取有关。
上述H表示绕圆周一圈后激励的相位增量2πH为它与天线阵子的激励有关，它可以表示为：
Figure BDA0003668880210000056
如果天线阵子激励相位满足
Figure BDA0003668880210000057
上述
Figure BDA0003668880210000061
表示方位角变化量，l表示本征值。
将式(4)代入式(3)可以发现：
Figure BDA0003668880210000062
于是，上式中的相位因子
Figure BDA0003668880210000063
就可以转换为
Figure BDA0003668880210000064
便是携带轨道角动量的涡旋电磁波所具有的相位因子。
因此，通过以上推导可以发现控制均匀圆形天线阵列的激励相位可以产生特定轨道角动量模态的涡旋电磁波。
本发明通过馈电线调节八个分形结构天线单元的馈电相位，能产生±1、±2和±3六种OAM模态。具体调节方法优选为：在八个分形结构天线单元中任选一个分形结构天线单元作为初始单元，并使初始单元的馈电相位为0°，其余七个分形结构天线单元：
当顺时针递增45°为相位梯度馈电时，则能生成-1模OAM波。
当顺时针递增90°为相位梯度馈电时，则能生成-2模OAM波。
当顺时针递增135°为相位梯度馈电时，则能生成-3模OAM波。
当逆时针递增45°为相位梯度馈电时，则能生成+1模OAM波。
当逆时针递增90°为相位梯度馈电时，则能生成+2模OAM波。
当逆时针递增135°为相位梯度馈电时，则能生成+3模OAM波。
图7显示了本发明的分形结构天线单元(也称微带平面OAM阵列天线单元)的回波损耗图，在2.99-4.73GHz范围内，相对阻抗带宽可达到45.07％，带宽相对传统微带单元得到明显展宽。结构简单易于实现，具有较高的应用价值。
图8显示了本发明具有多模态的宽带平面涡旋波天线的回波损耗图，在2.87-4.54GHz范围内，相对阻抗带宽可达到45.28％，带宽得到明显展宽。整个天线具有良好的辐射特性，结构简单易于实现，具有较高的应用价值。
图9显示了本发明具有多模态的宽带平面涡旋波天线的-1模态E面方向图，具有涡旋波特征，其辐射方向具有一定的定向性，z方向分量幅度较高。
图10显示了本发明具有多模态的宽带平面涡旋波天线的-2模态E面方向图。
有涡旋波特征，发散角较小，其辐射区中心凹陷，旁瓣面积变大，增益向Z轴四周发散。
图11显示了本发明具有多模态的宽带平面涡旋波天线的-3模态E面方向图。
有涡旋波特征，发散角较小，其辐射区中心凹陷明显，旁瓣面积变大，增益向Z轴四周发散。
图12显示了本发明具有多模态的宽带平面涡旋波天线的各模态电场幅度相位分布图。其中0模态为平面波无涡旋特性，±1±2±3各模态涡旋特性明显，可清晰区分各模态，正负模态旋向相反。
图13显示了本发明具有多模态的宽带平面涡旋波天线的各OAM模态纯度图。
上述OAM波的模式纯度可使用如下方法求得。
其中，携带OAM波的电场的表达式为
Figure BDA0003668880210000071
Figure BDA0003668880210000072
上述ρ,
Figure BDA0003668880210000073
z表示极坐标系下电场分量；其中，ρ表示波束半径，
Figure BDA0003668880210000074
表示方位位置，z表示传输距离，n为模态，an(ρ,z)表示振幅。
其中，an可以用
Figure BDA0003668880210000075
表示，即：
Figure BDA0003668880210000076
携带OAM波的电场的能量UE可以表示为
Figure BDA0003668880210000077
上述ε0为真空介电常数，Cn可以由an(ρ,z)计算，且为与z无关的常量，为：
Cn＝∫0 ∞|an(ρ,z)|2ρdρ#(8)
那么，第n模态OAM波的纯度Pn为：
Figure BDA0003668880210000078
由Matlab编程实现可视化图，本发明得到较高模态纯度：±1模态XY分量纯度在99％以上，±2模态XY分量纯度在95％以上，±3模态XY分量纯度在68％以上。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有多模态的宽带平面涡旋波天线，其特征在于：包括OAM阵列天线和同轴设置在OAM阵列天线下方的金属地板；
OAM阵列天线包括介质基板、沿介质基板周向均匀且呈中心对称排列的N个分形结构天线单元；其中，N为不小于2的偶数；
介质基板为切角圆板，介质基板的外缘沿周向均匀设置有N个直线切角段，每个直线切角段均与介质基板的切线相平行；
每个分形结构天线单元均包括六边形分形贴片、馈电线和缺陷地板；
馈电线沿径向布设在介质基板顶面，外侧端与对应直线切角段相对齐；
六边形分形贴片布设在馈电线内侧的介质基板顶面，且关于馈电线对称；六边形分形贴片的其中一个顶角与馈电线内侧端相连接；
缺陷地板设置在馈电线正下方的介质基板底面上；缺陷地板呈矩形，且关于馈电线对称；缺陷地板的外侧长边与对应直线切角段的外缘对齐。
2.根据权利要求1所述的具有多模态的宽带平面涡旋波天线，其特征在于：六边形分形贴片为Sierpinski一阶分形六边形结构，具有正六边形外轮廓和正六边形内轮廓。
3.根据权利要求2所述的具有多模态的宽带平面涡旋波天线，其特征在于：缺陷地板的长度不小于六边形分形贴片的高，缺陷地板的宽度小于馈电线的长度。
4.根据权利要求3所述的具有多模态的宽带平面涡旋波天线，其特征在于：介质基板的半径为r1=110mm，介质基板圆心至直线切角段的距离为r2=106mm，馈电线的宽度为w1=2mm，缺陷地板的长度为w2=28mm，缺陷地板的宽度为l2=5.2mm，直线切角段的长度为w3=58.79mm，馈电线的长度为l1=6.577mm，正六边形外轮廓中不与馈电线连接的边长a1=14.9mm，正六边形外轮廓中与馈电线连接的边长为13.8mm，正六边形内轮廓的边长a2=4mm。
5.根据权利要求4所述的具有多模态的宽带平面涡旋波天线，其特征在于：金属地板为圆形板，金属地板的直径不小于介质基板的最大外径。
6.根据权利要求5所述的具有多模态的宽带平面涡旋波天线，其特征在于：金属地板的直径不小于介质基板最大外径的1.2倍，且金属地板与介质基板之间的距离不小于10mm。
7.根据权利要求6所述的具有多模态的宽带平面涡旋波天线，其特征在于：金属地板的直径r3=140mm，金属地板与介质基板之间的距离h1=20mm。
8.根据权利要求7所述的具有多模态的宽带平面涡旋波天线，其特征在于：N=8。
9.根据权利要求8所述的具有多模态的宽带平面涡旋波天线，其特征在于：通过馈电线调节八个分形结构天线单元的馈电相位，能产生±1、±2和±3六种OAM模态。
10.根据权利要求9所述的具有多模态的宽带平面涡旋波天线，其特征在于：在八个分形结构天线单元中任选一个分形结构天线单元作为初始单元，并使初始单元的馈电相位为0°；
其余七个分形结构天线单元：
当顺时针递增45°为相位梯度馈电时，则能生成-1模OAM波；
当顺时针递增90°为相位梯度馈电时，则能生成-2模OAM波；
当顺时针递增135°为相位梯度馈电时，则能生成-3模OAM波；
当逆时针递增45°为相位梯度馈电时，则能生成+1模OAM波；
当逆时针递增90°为相位梯度馈电时，则能生成+2模OAM波；
当逆时针递增135°为相位梯度馈电时，则能生成+3模OAM波；
在2.87-4.73GHz范围内，相对阻抗带宽能达到45%以上。
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