CN114927867A - 一种集成化低剖面的低副瓣oam天线 - Google Patents

一种集成化低剖面的低副瓣oam天线 Download PDF

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Abstract

一种集成化低剖面的低副瓣OAM天线，涉及天线射频技术领域。本发明是为了解决利用传统的激发贝塞尔波束的方法来实现高速通信和扩大信道信息容量时，体积难以满足要求的问题。本发明所述的一种集成化低剖面的低副瓣OAM天线，该低副瓣OAM天线利用超表面同馈源进行集成化，实现了整个OAM天线的体积的减小，而且通过利用高增益超表面天线来实现整个OAM天线的增益的提高和副瓣电平的降低。

Description

一种集成化低剖面的低副瓣OAM天线
技术领域
本发明属于天线射频技术领域，尤其涉及低副瓣OAM天线结构。
背景技术
受限于频谱资源、信道信息容量等因素，导致大规模数据信息的高速高效传播一直无法实现。轨道角动量是一种存在于某种波束的特性，与线动量不同，它既不与频率有关也不与电磁波的极化方式有关，只与电磁波束波前的各点相对于传播轴中心的坐标有关。轨道角动量的拓扑值理论上可以取遍整个整数区间，携带不同拓扑值的轨道角动量的波束之间天然正交，互相不产生干扰。这对于现代无线通信以及即将到来的“大数据”时代具有很深远的意义。对于频谱资源的短缺，可以利用轨道角动量来实现不增加频带宽度的情况下极大增加波束携带信息容量，进而实现多路的通信。只需要将不同信息加载到携带不同拓扑值的轨道角动量的波束上，就可以令它们在同一频带内传输而互不干扰。
贝塞尔波束可以在很长的一段距离内不发生衍射，高阶的贝塞尔波束又天然携带轨道角动量。这样就让高速通信和扩大信道信息容量可以同时实现。贝塞尔波束是一种形式上满足波动方程贝塞尔函数形式的解的电磁波，理论上其能量可以在传播轴方向上达到无穷大，但是实际上无法实现。目前，本领域一般将平面波利用某种手段向传播轴上汇聚来近似达到这种理论效果。传统的激发贝塞尔波束的方法无论是在体积上还是在加工难度上都难以适应现在的应用需求。
发明内容
本发明是为了解决利用传统的激发贝塞尔波束的方法来实现高速通信和扩大信道信息容量时，体积难以满足要求的问题，现提供一种集成化低剖面的低副瓣OAM天线。
一种集成化低剖面的低副瓣OAM天线，包括：OAM激发超表面1、馈源天线2和极化板超表面3，
OAM激发超表面1包括多个反射型超表面单元，每个反射型超表面单元均包括依次层叠设置的金属贴片层11、第一介质层12和第一金属地板层13，金属贴片层11包括两个开口相对且镜像对称设置的弧形金属片，两个弧形金属片的中点通过一个金属条相连，该金属条与第一介质层12的一条对角线重合；
馈源天线2包括依次层叠设置的辐射超表面、F-P谐振腔23和耦合层，
极化板超表面3包括第四介质层31，第四介质层31两面均设有金属带条层32，
多个反射型超表面单元呈矩形阵列的形式围绕在馈源天线2的四周，极化板超表面3的一个金属带条层32与馈源天线2的辐射超表面相对，且二者之间留有空隙。
进一步的，上述第一介质层12的材料为F4B350，介电常数为3.5，损耗角正切为0.001，厚度为3mm；第一金属地板层13为PEC金属反射板；反射型超表面单元的周期为6mm。
进一步的，上述辐射超表面包括层叠设置的辐射层和第二介质层22，辐射层包括呈4×4矩形阵列排布的16个矩形PEC贴片21，第二介质层22与F-P谐振腔23相邻。
进一步的，上述第二介质层22的材料为F4B350，介电常数为3.5，损耗角正切为0.001。
进一步的，上述耦合层包括依次层叠设置的第二金属地板层24、第三介质层25和电磁能量引入层26，
第二金属地板层24的中心位置开有一条矩形缝隙，该矩形缝隙与第二金属地板层24的边相互平行；电磁能量引入层26包括矩形的微带线和扇形的巴伦匹配结构，微带线的一端与巴伦匹配结构的圆心处相连；第二金属地板层24与F-P谐振腔23相邻。
进一步的，上述第三介质层25的材料为F4B265，介电常数为2.65，损耗角正切为0.001，厚度为0.5mm。
进一步的，上述第四介质层31两面的金属带条层32镜像对称，金属带条层32包括多条相互平行排布的金属条，相邻两个金属条之间留有1mm的空隙，多条金属条均与第四介质层31的边平行。
进一步的，当反射型超表面单元的旋转角度为45度时，超表面单元的琼斯矩阵为：
Figure BDA0003688418920000021
当反射型超表面单元的旋转角度为-45度时，超表面单元的琼斯矩阵为：
Figure BDA0003688418920000022
其中，j为虚数。
进一步的，上述OAM激发超表面1与极化板超表面3之间的距离为95mm。
进一步的，上述OAM激发超表面1的尺寸为280mm×280mm×3mm。
本发明有以下有益效果：
1、本发明利用将超表面同馈源集成在一起，将整个OAM天线的整个体积降低一半，丰富天线的应用场景。
2、本发明利用F-P谐振腔和超表面天线结合来提高馈源天线的增益，利用馈源天线增益的提高来实现OAM天线的低副瓣。
3、本发明在激发OAM波束的同时引入高阶贝塞尔波束，利用高阶贝塞尔波束在传播距离内不发生衍射，实现天线功率的最大化。
4、本发明的OAM天线具有高增益、低副瓣的特点，在同等天线的体积下可以实现增益的显著提高。
附图说明
图1为OAM激发超表面和馈源天线集成后的结构示意图；
图2为反射型超表面单元的主视图；
图3为图2的仰视图；
图4为辐射超表面的主视图；
图5为馈源天线的侧视图；
图6为电磁能量引入层的主视图；
图7为第二金属地板层的主视图；
图8为极化板超表面的主视图；
图9为金属带条层的局部放大图；
图10为一种集成化低剖面的低副瓣OAM天线的整体结构示意图；
图11为OAM天线在近场的仿真结果图；
图12为OAM天线在远场的仿真结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
超表面作为一种新型的电磁器件，以其低剖面、体积小和易加工等优点，以及加工工艺和制作流程与传统微带线加工大致相同，很快成为了如今最受欢迎的激发高阶贝塞尔波束的方法。
OAM(轨道角动量)波束激发方法是通过利用几何光学的相关原理来实现的，传统的OAM波束激发方法大致分为3种：1、利用光学器件来激发，例如光栅或棱镜；2、利用超表面来激发；3、利用微带天线阵激发。利用光学器件来激发可以产生纯度较高的OAM波束，但是光学器件的原理是通过电磁波传播产生的波程差造成的相位差来实现OAM波束的激发，这样就会导致整个器件的体积变大，加工困难。利用超表面来激发，超表面作为一种无源的器件，自身并不能产生电磁波，需要一个外加的馈源来实现电磁波波束的激发，这就会产生巨大的体积损耗。利用微带天线阵激发，是通过利用功分器来实现不同位置微带天线的等幅不同相的辐射电磁波，这样虽然也可以实现OAM波束的激发，但是功分器的设计非常复杂，而且馈电网络也很复杂，不易加工，而且由于馈电网络的存在，导致天线的增益一般不大。
本实施方式采用的集成化技术克服了以上的缺点，利用F-P谐振腔技术来增大增益，利用超标面天线来实现可集成化，这样可以在实现相位突变的基础上不增加额外的体积，而且克服了无源器件超表面不可以本身激发电磁波的困难，同时不需要非常复杂的馈源网络，有利于天线的增益的提高。本实施方式具体如下：
如图1和图10所示，本实施方式所述的一种集成化低剖面的低副瓣OAM天线包括：OAM激发超表面1、馈源天线2和极化板超表面3。
如图1、2和3所示，OAM激发超表面1包括多个反射型超表面单元，每个反射型超表面单元均包括依次层叠设置的金属贴片层11、第一介质层12和第一金属地板层13。第一介质层12的材料为F4B350(F4B，聚四氟乙烯)，介电常数为3.5，损耗角正切为0.001，厚度为3mm。
金属贴片层11包括两个开口相对且镜像对称设置的弧形金属片，两个弧形金属片的中点通过一个金属条相连，该金属条与第一介质层12的一条对角线重合。
第一金属地板层13为PEC氯化聚乙烯金属反射板。
反射型超表面单元的周期为6mm。
为了实现反射型超表面单元对于入射电磁波的全相调制，本实施方式采用的是通过琼斯矩阵推导的方式来设计反射型超表面单元的。琼斯矩阵公式如下：
Figure BDA0003688418920000041
其中，θ为反射型超表面单元以其中心为原点旋转时的旋转角度，j为虚数，Txx为x极化波的共极化反射系数，Txy为x极化波的交叉极化反射系数，Tyx为y极化波的交叉极化反射系数，Tyy为y极化波的共极化反射系数。
通过以上公式可知，将反射型超表面单元旋转一定的角度，就可以实现交叉极化波的激发。当反射型超表面单元的旋转角度为45度时，超表面单元的琼斯矩阵为：
Figure BDA0003688418920000051
当反射型超表面单元的旋转角度为-45度时，超表面单元的琼斯矩阵为：
Figure BDA0003688418920000052
从以上两个公式可知：旋转角度θ互为相反数时，相位相差180度。利用这种方法来实现超表面单元的全相调制。
本实施方式中OAM激发超表面1的作用是对入射电磁波的相位进行调制。通过改变单元结构中的变量张角α(两个弧形金属片端部之间的角度)大小，反射型超表面单元能够对入射电磁波的相位进行全相调制。OAM激发超表面1的OAM阶数为+1阶，单元对于电磁波的相位调控的方法是传输型相位调控，超表面单元通过旋转45°实现入射电磁波相位的极化偏转。通过每个反射型超表面单元引入的突变相位将入射电磁波的波前相位进行调制，为入射的电磁波提供相位补偿。综上所述，OAM激发超表面1工作的步骤分为一下3步：
1、将入射的球面电磁波进行相位补偿，使其变为平面波；
2、利用引入的相位梯度对电磁波进行相位补偿，将出射的电磁波汇聚到空间中的某一点；
3、为出射的电磁波加上额外的OAM相位，使出射波变为携带OAM模式的高阶贝塞尔波束。
如图5所示，高增益的馈源天线2包括依次层叠设置的辐射超表面、F-P谐振腔23和耦合层。
如图4所示，辐射超表面包括层叠设置的辐射层和第二介质层22。辐射层包括呈4×4矩形阵列排布的16个矩形PEC贴片21。第二介质层22的材料为F4B350，介电常数为3.5，损耗角正切为0.001。
如图5所示，耦合层包括依次层叠设置的第二金属地板层24、第三介质层25和电磁能量引入层26。如图7所示，第二金属地板层24的中心位置开有一条矩形缝隙，该矩形缝隙与第二金属地板层24的边相互平行。如图6所示，电磁能量引入层26包括矩形的微带线和扇形的巴伦匹配结构，微带线的一端与巴伦匹配结构的圆心处相连。第三介质层25的材料为F4B265，介电常数为2.65，损耗角正切为0.001，厚度为0.5mm。
F-P谐振腔23为空气层，第二介质层22和第二金属地板层24均与F-P谐振腔23相邻。
馈源天线2的工作原理为：电磁波由电磁能量引入层26的微带线馈入，通过微带线上层的矩形缝隙将电磁能量耦合到F-P谐振腔23中，并辐射出去。一部分电磁波能量经由顶层的辐射超表面辐射出去，电磁波在第二介质层22不完全反射，则还有一部分返回到F-P谐振腔23内部，再从F-P谐振腔23辐射出去。F-P谐振腔23的作用是在频带内增加馈源天线的增益，并以此来实现OAM天线的增益的提高和副瓣电平的降低。
如图8所示，极化板超表面3包括第四介质层31，第四介质层31两面均设有金属带条层32。第四介质层31两面的金属带条层32镜像对称。如图9所示，金属带条层32包括多条相互平行排布的金属条，相邻两个金属条之间留有1mm的空隙，多条金属条均与第四介质层31的边平行。
极化板超表面3利用金属带条将入射的y极化波基本反射到OAM激发超表面1，同时不改变y极化波的相位，然后将x极化电磁波完全透过，对电磁波的相位不进行任何的相位调制。
由于传统天线想要实现高增益需要比较大的口面和体积。而本实施方式中多个反射型超表面单元呈矩形阵列的形式围绕在馈源天线2的四周，使得OAM激发超表面1与馈源天线2集成到一起，在一块介质板上利用PCB工艺蚀刻出来。集成化的方式克服了现有超表面和天线分离产生的体积大这一弊端。
极化板超表面3的一个金属带条层32与馈源天线2的辐射超表面相对。具体的，极化板超表面3放置的位置为距离OAM激发超表面1一半焦距处，本实施方式中焦距为190mm，则馈源天线2与极化板超表面3二者之间留有95mm的空隙。OAM激发超表面1的尺寸大小是根据OAM波束需要的波束宽度来设计的，本实施方式中OAM激发超表面1的尺寸为280mm×280mm×3mm，这样可以实现更高的增益和更低的副瓣电平。
本实施方式中，由于OAM天线采用的是OAM激发超表面1与馈源天线2集成化处理，实现了同样传输距离的情况下整个OAM天线的体积减半的效果。OAM天线工作在X波段，中心频率为10GHz。在实际应用时，OAM激发超表面1、馈源天线2的耦合层和辐射超表面都是通过尼龙螺丝来连接的，尼龙螺丝的介电常数与空气接近，基本不会对辐射的电磁场有影响。
图11和12分别为OAM天线在近场和远场的仿真结果图和测试结果图。从图11中能够看到，OAM天线的近场的相位分布符合OAM波束的理论相位分布，而且由于涡旋波束在中心的相位总是相差180°，所以在OAM波束的传播路径上的场强接近于0，在近场的幅度分布呈现类似甜甜圈的中空形式。从图12中能够看到，测试结果有很好的副瓣电平。OAM天线的S11带宽为3GHz，近场OAM波束纯度比较高，中心频点增益为17.2dBi，副瓣电平为-16.5dB。通过本本实施方式能够将OAM天线的增益提高，副瓣电平降低，同时可以缩小整个OAM天线的体积，从而可以使其能够应用在实际场景中。
本实施方式公开了一种集成化低剖面的低副瓣OAM天线，该低副瓣OAM天线利用超表面同馈源进行集成化，实现了整个OAM天线的体积的减小，而且通过利用高增益超表面天线来实现整个OAM天线的增益的提高和副瓣电平的降低。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。

Claims (10)

1.一种集成化低剖面的低副瓣OAM天线，其特征在于，包括：OAM激发超表面(1)、馈源天线(2)和极化板超表面(3)，
OAM激发超表面(1)包括多个反射型超表面单元，每个反射型超表面单元均包括依次层叠设置的金属贴片层(11)、第一介质层(12)和第一金属地板层(13)，金属贴片层(11)包括两个开口相对且镜像对称设置的弧形金属片，两个弧形金属片的中点通过一个金属条相连，该金属条与第一介质层(12)的一条对角线重合；
馈源天线(2)包括依次层叠设置的辐射超表面、F-P谐振腔(23)和耦合层，
极化板超表面(3)包括第四介质层(31)，第四介质层(31)两面均设有金属带条层(32)，
多个反射型超表面单元呈矩形阵列的形式围绕在馈源天线(2)的四周，极化板超表面(3)的一个金属带条层(32)与馈源天线(2)的辐射超表面相对，且二者之间留有空隙。
2.根据权利要求1所述的一种集成化低剖面的低副瓣OAM天线，其特征在于，
第一介质层(12)的材料为F4B350，介电常数为3.5，损耗角正切为0.001，厚度为3mm；
第一金属地板层(13)为PEC金属反射板；
反射型超表面单元的周期为6mm。
3.根据权利要求1所述的一种集成化低剖面的低副瓣OAM天线，其特征在于，辐射超表面包括层叠设置的辐射层和第二介质层(22)，辐射层包括呈4×4矩形阵列排布的16个矩形PEC贴片(21)，第二介质层(22)与F-P谐振腔(23)相邻。
4.根据权利要求3所述的一种集成化低剖面的低副瓣OAM天线，其特征在于，第二介质层(22)的材料为F4B350，介电常数为3.5，损耗角正切为0.001。
5.根据权利要求1所述的一种集成化低剖面的低副瓣OAM天线，其特征在于，耦合层包括依次层叠设置的第二金属地板层(24)、第三介质层(25)和电磁能量引入层(26)，
第二金属地板层(24)的中心位置开有一条矩形缝隙，该矩形缝隙与第二金属地板层(24)的边相互平行，
电磁能量引入层(26)包括矩形的微带线和扇形的巴伦匹配结构，微带线的一端与巴伦匹配结构的圆心处相连，
第二金属地板层(24)与F-P谐振腔(23)相邻。
6.根据权利要求5所述的一种集成化低剖面的低副瓣OAM天线，其特征在于，第三介质层(25)的材料为F4B265，介电常数为2.65，损耗角正切为0.001，厚度为0.5mm。
7.根据权利要求1所述的一种集成化低剖面的低副瓣OAM天线，其特征在于，第四介质层(31)两面的金属带条层(32)镜像对称，
金属带条层(32)包括多条相互平行排布的金属条，相邻两个金属条之间留有1mm的空隙，多条金属条均与第四介质层(31)的边平行。
8.根据权利要求1所述的一种集成化低剖面的低副瓣OAM天线，其特征在于，
当反射型超表面单元的旋转角度为45度时，超表面单元的琼斯矩阵为：
Figure FDA0003688418910000021
当反射型超表面单元的旋转角度为-45度时，超表面单元的琼斯矩阵为：
Figure FDA0003688418910000022
其中，j为虚数。
9.根据权利要求1所述的一种集成化低剖面的低副瓣OAM天线，其特征在于，
OAM激发超表面(1)与极化板超表面(3)之间的距离为95mm。
10.根据权利要求9所述的一种集成化低剖面的低副瓣OAM天线，其特征在于，
OAM激发超表面(1)的尺寸为280mm×280mm×3mm。
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