CN117895236A - 一种Ka波段轨道角动量滤波天线 - Google Patents
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Abstract
本发明属于天线技术领域，公开了一种Ka波段轨道角动量滤波天线，包括滤波功分器；滤波功分器，用于对接收的电磁能量进行滤波处理并均分为若干路电磁波；其中，滤波功分器整体呈环形立体结构；移相器模块设置在滤波功分器的底部，用于对若干路电磁波进行相位调整，获得若干路不同相位的电磁信号；其中，移相器模块的输出端朝滤波功分器的底端内侧弯曲；扭转波导模块竖向设置在滤波功分器的环形空腔内，用于将若干路不同相位的电磁信号转化为若干路极化方向相同的电磁信号；喇叭天线模块设置在扭转波导模块的上方，用于接收若干路极化方向相同的电磁信号并输出若干路OAM波束；本发明具体天线效率高，功率容量大，带外增益抑制能力强的特点。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，特别涉及一种Ka波段轨道角动量滤波天线。
背景技术
天线，主要用于起到导行电磁波与辐射电磁波之间能量转换的作用，其在无线通信系统中扮演着关键的角色；滤波天线则是通过将具有带外抑制能力的频率选择特性集成至天线中，以有效缩小整个系统体积，提高系统的带外抗干扰能力。
轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)是一种存在于特定波束中的特性；具体为：携带不同拓扑值的轨道角动量使波束天然正交，彼此之间不产生干扰；因此，在有限的频谱资源下，利用轨道角动量可以在不增加频带宽度的情况下极大地提升波束携带信息的容量，从而实现多路通信；通过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，可以在同一频带内进行传输而互不干扰，显著提高信道容量。
目前，现有的OAM天线主要采用平面印制电路板工艺的微带天线和反射面天线构建，但在天线效率、功率容量和带外干扰抑制方面存在限制，难以满足未来5G/6G通信的需求。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种Ka波段轨道角动量滤波天线，以解决现有的OAM天线在天线效率、功率容量和带外干扰抑制方面存在限制，难以满足未来5G/6G通信的需求的技术问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
本发明提供了一种Ka波段轨道角动量滤波天线，包括滤波功分器、移相器模块、扭转波导模块及喇叭天线模块；所述滤波功分器、所述移相器模块、所述扭转波导模块及所述喇叭天线模块均为空气填充的全金属结构；
所述滤波功分器，用于对接收的电磁能量进行滤波处理，并将滤波处理后的电磁能量均分为若干路电磁波；其中，所述滤波功分器整体呈环形立体结构；
所述移相器模块设置在所述滤波功分器的底部，用于对所述若干路电磁波进行相位调整，获得若干路不同相位的电磁信号；其中，所述移相器模块的输出端朝所述滤波功分器的底端内侧弯曲；
所述扭转波导模块竖向设置在所述滤波功分器的环形空腔内，用于接收所述若干路不同相位的电磁信号，并将所述若干路不同相位的电磁信号转化为若干路极化方向相同的电磁信号；
所述喇叭天线模块设置在所述扭转波导模块的上方，用于接收所述若干路极化方向相同的电磁信号并输出若干路OAM波束。
进一步的，所述滤波功分器采用一分八滤波功分器，所述一分八滤波功分器能够实现十一阶滤波响应和一分八功率分配功能；其中，所述一分八滤波功分器采用若干矩形振腔拼接而成，所述矩形振腔的谐振模式为TE101模式。
进一步的，所述滤波功分器包括从上到下分层设置的输入端口、第一振腔单元层、第二振腔单元层、两个第三振腔单元层、四个第四振腔单元层及八个输出端口；
所述输入端口的上端用于与外接信号源相连，所述输入端口的下端与所述第一振腔单元层的上端相连，所述第一振腔单元层的下端与所述第二振腔单元层的上端中部相连；
两个所述第三振腔单元层对称设置在所述第二振腔单元层的下方两端；其中，第一个第三振腔单元层位于所述第二振腔单元层的第一端下方，且所述第二振腔单元层的第一端底面与第一个第三振腔单元层的上端中部相连；第二个第三振腔单元层位于所述第二振腔单元层的第二端下方，且所述第二振腔单元层的第二端底面与第二个第三振腔单元层的上端中部相连；
其中两个所述第四振腔单元层对称设置在第一个第三振腔单元层的下方两端，剩余两个所述第四振腔单元层对称设置在第二个第三振腔单元层的下方两端；具体的，第一个第四振腔单元层的上端中部与第一个第三振腔单元层的第一端底面相连，第二个第四振腔单元层的上端中部与第一个第三振腔单元层的第二端底面相连，第三个第四振腔单元层的上端中部与第二个第三振腔单元层的第一端底面相连，第四个第四振腔单元层的上端中部与第二个第三振腔单元层的第二端底面相连；
每个第四振腔单元层的下方两端分别设置有两个输出端口；其中，所述输出端口的上端与所述第四振腔单元层的端部底面相连。
进一步的，所述第一振腔单元层包括一个矩形振腔；所述第二振腔单元层包括呈圆弧形分布且依次相连的九个矩形振腔；所述第三振腔单元层包括呈圆弧形分布且依次相连的五个矩形振腔；所述第四振腔单元层包括呈圆弧形分布且依次相连的三个矩形振腔；其中，所有所述矩形振腔的谐振模式均为TE101模式。
进一步的，所述移相器模块包括若干个U型波导移相器，若干所述U型波导移相器呈环形阵列分布；其中，所述U型波导移相器的个数与所述滤波功分器1输出的电磁波的路数相同，每个所述U型波导移相器采用将矩形波导弯折180°形成。
进一步的，相邻两个所述U型波导移相器输出的电磁信号的相位差为45°。
进一步的，所述扭转波导模块包括竖向设置的若干扭转波导本体，且若干所述扭转波导本体呈环形阵列分布；所述扭转波导本体包括从下到上依次设置的输入波导段、第一扭转波导段、第二扭转波导段及输出波导段；
其中，所述输入波导段及所述输出波导段均为矩形波导；所有所述扭转波导本体中的所述输入波导段呈环形阵列分布，所述输入波导段的下端用于与所述移相器模块的对应输出口相连；所有所述扭转波导本体中的所述输出波导段呈环形阵列分布，所述输出波导段的上端用于与喇叭天线模块的对应输入口相连，且所有所述扭转波导本体中的所述输出波导段的长轴方向平行设置。
进一步的，所述喇叭天线模块包括若干喇叭天线本体，若干所述喇叭天线本体呈环形阵列分布，且所有所述喇叭天线本体的喇叭口面方向一致。
进一步的，所述喇叭天线本体的E面方向图波束宽度与H面方向图波束宽度相同。
进一步的，在频率为25.9-29.9GHz条件下，所述Ka波段轨道角动量滤波天线的反射系数小于-13dB，传输系数为-9.2dB；所述Ka波段轨道角动量滤波天线在工作频带内的增益为13.5dB。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供了一种Ka波段轨道角动量滤波天线，采用具有空气填充的全金属结构的滤波功分器、移相器模块、扭转波导模块及喇叭天线模块组合而成，将滤波功分器整体设置为环形立体结构，将移相器模块的输出端朝滤波功分器的底端内侧弯曲，并利用扭转波导模块对电磁信号的极化方向进行转化，之后通过喇叭天线模块实现OAM波束的输出，在降低天线整体尺寸的同时，有效提升了天线的带外增益抑制能力；由于全金属结构的机械强度高，可以耐受较高温度；在热力学方面，具备承载高功率电磁能量的条件；在电磁学方面，利用空气填充能够具有较高的击穿电压，为承载高功率电磁能量提供基础；同时，空气填充的结构避免了介质损耗，使其天然具备低损耗，高效率的特征；因此，具有天线效率高、功率容量大以及带外增益抑制能力强的特点。
进一步的，一分八滤波功分器采用若干矩形振腔拼接而成，并能够实现十一阶滤波响应和一分八功率分配功能，具备滤波器通带的能量传输波动小且损耗少的特点；同时，通过调整金属谐振腔的尺寸和耦合，应用耦合矩阵和等波纹滤波器对应的多项式变换，可以实现高阶等波纹滤波响应；另外，其陡峭的滚降特性使得天线具备带外增益抑制能力强的特点。
附图说明
图1为实施例所述的Ka波段轨道角动量滤波天线的整体结构示意图；
图2为实施例中的滤波功分器的结构示意图；
图3为实施例中的移相器模块的结构示意图；
图4为实施例中的扭转波导模块的结构示意图；
图5为实施例中的喇叭天线模块的结构示意图；
图6为实施例中的滤波功分器的散射参数幅度仿真结果图；
图7为实施例中的喇叭天线本体在28GHz条件下的方向图；
图8为实施例所述的Ka波段轨道角动量滤波天线的仿真反射系数曲线图；
图9为实施例所述的Ka波段轨道角动量滤波天线的仿真方向图；
图10为实施例所述的Ka波段轨道角动量滤波天线的相位方向图；
图11为实施例所述的Ka波段轨道角动量滤波天线的增益随频率变化曲线图。
其中，1滤波功分器，2移相器模块，3扭转波导模块，4喇叭天线模块；11输入端口，12第一振腔单元层，13第二振腔单元层，14第三振腔单元层，15第四振腔单元层，16输出端口；21U型波导移相器；31扭转波导本体；301输入波导段，302第一扭转波导段，303第二扭转波导段，304输出波导段；41喇叭天线本体。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题，技术方案及有益效果更加清楚明白，以下具体实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种Ka波段轨道角动量滤波天线，包括滤波功分器1、移相器模块2、扭转波导模块3及喇叭天线模块4；其中，所述滤波功分器1、所述移相器模块2、所述扭转波导模块3及所述喇叭天线模块4均为空气填充的全金属结构。
所述滤波功分器1，用于对接收的电磁能量进行滤波处理，并将滤波处理后的电磁能量均分为若干路电磁波；其中，所述滤波功分器1整体呈立体结构；所述移相器模块2设置在所述滤波功分器1的底部，用于对所述若干路电磁波进行相位调整，获得若干路不同相位的电磁信号；其中，所述移相器模块2的输出端朝所述滤波功分器1的底端内侧弯曲；所述扭转波导模块3竖向设置在所述滤波功分器1的环形空腔内，用于接收所述若干路不同相位的电磁信号，并将所述若干路不同相位的电磁信号转化为若干路极化方向相同的电磁信号；所述喇叭天线模块4设置在所述扭转波导模块3的上方，用于接收所述若干路极化方向相同的电磁信号并输出若干路OAM波束。
所述滤波功分器1采用一分八滤波功分器，所述一分八滤波功分器能够实现十一阶滤波响应和一分八功率分配功能；其中，所述一分八滤波功分器采用若干矩形振腔拼接而成，所述矩形振腔的谐振模式为TE101模式；具体的，所述滤波功分器1采用若干谐振于TE101模式的全金属的矩形振腔拼接而成，通过调整矩形振腔的尺寸和谐振腔间的耦合膜片尺寸，能够使所述滤波功分器1实现十一阶滤波响应，并且具备陡峭的滚降特性，进而使得所述天线具有带外增益抑制能力强的特点。
所述移相器模块2包括若干个U型波导移相器21，若干所述U型波导移相器21呈环形阵列分布；其中，所述U型波导移相器21的个数与所述滤波功分器1输出的电磁波的路数相同，每个所述U型波导移相器21采用将矩形波导弯折180°形成；优选的，相邻两个所述U型波导移相器21输出的电磁信号的相位差为45°。
所述扭转波导模块3包括竖向设置的若干扭转波导本体31，且若干所述扭转波导本体31呈环形阵列分布；所述扭转波导本体31包括从下到上依次设置的输入波导段301、第一扭转波导段302、第二扭转波导段303及输出波导段304。所述喇叭天线模块4包括若干喇叭天线本体41，若干所述喇叭天线本体41呈环形阵列分布，且所有所述喇叭天线本体41的喇叭口面方向一致。
本发明所述的Ka波段轨道角动量滤波天线，采用具有空气填充的全金属结构的滤波功分器、移相器模块、扭转波导模块及喇叭天线模块组合而成，即滤波功分器、移相器模块及扭转波导模块均由全金属谐振腔或全金属波导构成，天然地具备低损耗的特性，而全金属的喇叭天线同样也具备高辐射效率的特征，得益于全金属结构的低损耗结构的运用与集成，所述天线具备效率高、功率容量大和带外干扰抑制能力强的特点。
本发明中，所述滤波功分器1、所述移相器模块2、所述扭转波导模块3及所述喇叭天线模块4的介质填充物均为空气并且采用三维波导结构，具有较高的击穿电压；其次，由于电磁器件的功率容量与其击穿电压呈正相关性，所述天线可以承载较高的电磁能量；同时，本发明的全金属结构使得其能够耐受较高的工作温度，其在热力学上符合高功率容量的要求。
工作原理：
本发明所述的Ka波段轨道角动量滤波天线，使用时，电磁能量从所述滤波功分器1的输入端口馈入，所述滤波功分器1对接收的电磁能量进行滤波处理，以滤除工作频带外的电磁能量，并将滤波处理后的电磁能量均分为若干路功率相等且相位一致的电磁波；接着，若干路电磁波分别进入到移相器模块2中对应的U型波导移相器，利用U型波导移相器对对应的电磁波进行相位调整，以添加预设偏移，抵消后续扭转波导模块3产生的相位偏移；之后，若干路不同相位的电磁信号，即具有相位预偏移的电磁信号进入到扭转波导模块3中对应的扭转波导本体，利用若干扭转波导本体将若干路不同相位的电磁信号转化为若干路极化方向相同的电磁信号，使得输出的电磁信号输出具备相同的极化方向，同时预偏移被扭转波导模块3的相移抵消，输出的若干路电磁信号具备相同的相位；最后，将若干路极化方向相同，且相位相等的电磁信号输入至喇叭天线模块4，进而实现OAM波束输出。
实施例
如附图1所示，本实施例提供了一种Ka波段轨道角动量滤波天线，包括滤波功分器1、移相器模块2、扭转波导模块3及喇叭天线模块4；所述滤波功分器1、所述移相器模块2、所述扭转波导模块3及所述喇叭天线模块4均为空气填充的全金属结构。
所述滤波功分器1，用于对接收的电磁能量进行滤波处理，以滤除工作频带外的电磁能量，并将滤波处理后的电磁能量等分为八路电磁波；所述移相器模块2设置在所述滤波功分器1的底部，用于对所述八路电磁波进行相位调整，以赋予所述八路电磁波不同的相位预偏移，获得八路不同相位的电磁信号；所述扭转波导模块3竖向设置在所述滤波功分器1的环形空腔内，用于接收所述八路不同相位的电磁信号，并将所述八路不同相位的电磁信号转化为若干路极化方向相同的电磁信号；所述喇叭天线模块4设置在所述扭转波导模块3的上方，用于接收所述若干路极化方向相同的电磁信号并输出若干路OAM波束。
如附图2所示，所述滤波功分器1整体呈环形立体结构；其中，所述滤波功分器1采用一分八滤波功分器，所述一分八滤波功分器能够实现十一阶滤波响应和一分八功率分配功能；所述一分八滤波功分器采用32个矩形振腔拼接而成，所述矩形振腔的谐振模式为TE101模式；需要说明的是，所述滤波功分器1制作时，首先将32个矩形振腔依次拼接形成平面状的一分八滤波功分器，之后对平面状的一分八滤波功分器进行弯折，形成环形立体结构的一分八滤波功分器，以利于与所述移相器模块2之间进行馈电。
具体的，所述滤波功分器1包括从上倒下分层设置的输入端口11、第一振腔单元层12、第二振腔单元层13、两个第三振腔单元层14、四个第四振腔单元层15及八个输出端口16。
所述输入端口11的上端用于与外接信号源相连，所述输入端口11的下端与所述第一振腔单元层12的上端相连；优选的，所述输入端口11及所述第一振腔单元层12均包括一个矩形振腔；所述第一振腔单元层12的下端与所述第二振腔单元层13的上端中部相连，两个所述第三振腔单元层14对称设置在所述第二振腔单元层13的下方两端；其中，第一个第三振腔单元层位于所述第二振腔单元层13的第一端下方，且所述第二振腔单元层13的第一端底面与第一个第三振腔单元层的上端中部相连；第二个第三振腔单元层位于所述第二振腔单元层13的第二端下方，且所述第二振腔单元层13的第二端底面与第二个第三振腔单元层的上端中部相连；优选的，所述第二振腔单元层13包括呈圆弧形分布且依次相连的九个矩形振腔，每个所述第三振腔单元层14包括呈圆弧形分布且依次相连的五个矩形振腔。
四个所述第四振腔单元层15均设置在所述第三振腔单元层14的下方，其中两个所述第四振腔单元层15对称设置在第一个第三振腔单元层的下方两端，剩余两个所述第四振腔单元层15对称设置在第二个第三振腔单元层的下方两端；具体的，第一个第四振腔单元层的上端中部与第一个第三振腔单元层的第一端底面相连，第二个第四振腔单元层的上端中部与第一个第三振腔单元层的第二端底面相连，第三个第四振腔单元层的上端中部与第二个第三振腔单元层的第一端底面相连，第四个第四振腔单元层的上端中部与第二个第三振腔单元层的第二端底面相连；每个所述第四振腔单元层15的下方两端分别设置有两个输出端口16，所述输出端口16的上端与所述第四振腔单元层15的端部底面相连，所述输出端口16的下端用于与所述移相器模块2中的U型波导移相器21对应相连；优选的，每个所述第四振腔单元层15包括呈圆弧形分布且依次相连的三个矩形振腔，每个所述输出端口16包括一个矩形振腔。
如附图3所示，所述移相器模块2包括八个U型波导移相器21，八个所述U型波导移相器21呈环形阵列分布；其中，每个所述U型波导移相器21采用将矩形波导弯折180°形成，以利于天线的小型化设计；具体的，八个所述U型波导移相器21与八个所述输出端口16一一对应设置，且所述U型波导移相器21的输入端与所述输出端口16的下端相连；通过调节U型波导移相器21的长度，以使相邻两个所述U型波导移相器21输出的电磁信号的相位差为45°，即利用八个所述U型波导移相器21依次对馈入的八路电磁波赋予45°相位、90°相位、135°相位、180°相位、225°相位、270°相位、315°相位及360°相位，用于抵消后续扭转波导模块3产生的相位偏移。
如附图4所示，所述扭转波导模块3包括竖向设置在八个扭转波导本体31，且八个所述扭转波导本体31呈环形阵列分布，并与八个所述U型波导移相器21上下一一对应设置；其中，所述扭转波导本体31的下端与所述U型波导移相器21的输出端相连，所述扭转波导本体31的上端用于与喇叭天线模块4中的喇叭天线本体41相连。
具体的，所述扭转波导本体31包括从下到上依次设置的输入波导段301、第一扭转波导段302、第二扭转波导段303及输出波导段304；所述输入波导段301及所述输出波导段304均为矩形波导；所有所述扭转波导本体31中的所述输入波导段301呈环形阵列分布，所述输入波导段301的下端与对应的U型波导移相器21的输出端相连；所有所述扭转波导本体31中的所述输出波导段304呈环形阵列分布，所述输出波导段304的上端与喇叭天线模块4中的喇叭天线本体41相连，且所有所述扭转波导本体31中的所述输出波导段304的长轴方向平行设置；所述第一扭转波导段302与所述第二扭转波导段303依次设置在所述输入波导段301与所述输出波导段304之间。
需要说明的是，在所述输入波导段301和所述输出波导段304的矩形波导中，电磁波的极化方向与矩形波导的短边方向平行，由于所述滤波功分器1为空间立体环形布置，其输出端口的短边方向各不相同；而在所述第一扭转波导段302和所述第二扭转波导303中，电磁波的极化将随着扭转角度一起变化，最终与所述输出波导段304的输出端口的短边方向平行；因此，基于滤波功分器1的输出端口相对位置，利用所述第一扭转波导段302和所述第二扭转波导303实现从所述输入波导段301到所述输出波导段304扭转预设角度，以使所述扭转波导模块3输出的八路电磁信号具有相同的极化方向，进而实现八个输出端口相同的极化方向。
如附图5所示，所述喇叭天线模块4包括八个喇叭天线本体41，八个所述喇叭天线本体41呈环形阵列分布，且所有所述喇叭天线本体41的喇叭口面方向一致；具体的，八个所述喇叭天线本体41与八个扭转波导本体31中的输出波导段304上下一一对应相连，所有喇叭天线本体41位于同一水平面上，且所述喇叭天线本体41的E面方向图波束宽度与H面方向图波束宽度相同。
如附图6所示，附图6中给出了实施例中的滤波功分器的散射参数幅度仿真结果图；从附图6中可以看出，所述天线在25.9～29.9GHz内反射系数小于-13dB，传输系数约为-9.2dB，并具有十一阶滤波响应功能，由此具备滤波器通带的能量传输波动小且损耗少的特点；同时，所述十一阶滤波响应功能的滚降特性较好，通带外的滚降十分陡峭，实现了显著的带外抑制效果。
如附图7所示，附图7中给出了实施例中的喇叭天线本体在28GHz条件下的方向图；从附图7中可以看出，所述喇叭天线本体在phi＝0°，3dB波束宽度为63°；单元天线在phi＝90°，3dB波束宽度为63°；所述喇叭天线本体的E面和H面的方向图波束宽度相同，确保所形成OAM波束相位方向图对称，模态纯度高。
如附图8所示，附图8中给出了实施例所述的Ka波段轨道角动量滤波天线的仿真反射系数曲线图；从附图8中可以看出，所述Ka波段轨道角动量滤波天线在25.9～29.9GHz内反射系数小于-13dB。
如附图9所示，附图9中给出了实施例所述的Ka波段轨道角动量滤波天线的仿真方向图；从附图9中可以看出，所述天线在法向具有一个辐射零点；其原因在于：由于OAM波束在主辐射方向的相位剧烈变化，导致辐射的能量相互抵消，辐射强度显著降低，呈现辐射零点。
如附图10所示，附图10中给出了实施例所述的Ka波段轨道角动量滤波天线的相位方向图；从附图10中可以看出，所述天线的辐射能量的相位在中心处呈涡旋变化，符合OAM波束的条件，并且其辐射模态应为+1次模态。
如附图11所示，附图11中给出了实施例所述的Ka波段轨道角动量滤波天线的增益随频率变化曲线图；从附图11中可以看出，所述天线在工作频带内增益约为13.5dBi，在工作带宽之外迅速衰减。
制造过程：
本实施例所述天线的制作过程：采用光固化成型增材制造工艺，一体化成型加工得到天线基体；利用化学镀铜方法，对所述天线基体进行表面金属化处理，得到所述Ka波段轨道角动量滤波天线。
本实施例中，所述一分八滤波功分器采用32个谐振在TE101模式的矩形振腔拼接而成，通过调控所述一分八滤波功分器中矩形振腔的尺寸和矩形振腔间的耦合，能够使所述一分八滤波功分器同时实现十一阶滤波响应和一分八功率分配功能，而十一阶滤波响应功能，具有陡峭的滚降特性，显著提升本实施例的带外抑制水平；其次，所述一分八滤波功分器通过平面结构弯折成环形立体结构，能够利于与后续移相器2馈电；另外，所述八个喇叭天线本体分别由所述八个扭转波导本体进行馈电，八个喇叭天线本体在同一水平面呈环形排布，并且八个喇叭天线本体的喇叭口面方向一致；其中，通过调整八个喇叭天线本体的喇叭E面的张角、喇叭长度和H面的宽度，能够控制辐射口面电磁场的幅度与相位，以使其E面和H面的方向图波束宽度大致相同，确保所形成OAM波束相位方向图对称，模态纯度高。
本发明中，当电磁能量馈入滤波功分器后，电磁能量在单输入单输出的矩形振腔中的模式为TE101，电磁能量在输入端口的矩形振腔间耦合，形成滤波响应；电磁能量在单输入多输出的金属谐振腔中形成TE201模式，可以实现一分二的等功率分配响应；通过级联矩形振腔，以使滤波功分器最终实现一分八滤波功分响应；滤波功分器由多阶金属的矩形振腔拼接而成，通过调整金属振腔的尺寸和耦合，应用耦合矩阵和等波纹滤波器对应的多项式变换，可以实现高阶等波纹滤波响应。其陡峭的滚降特性使得天线具备带外增益抑制能力强的特点。
本发明所述的Ka波段轨道角动量滤波天线，滤波功分器、移相器模块、扭转波导模块及喇叭天线模块均为空气填充的全金属结构；金属结构机械强度高，可以耐受较高温度，在热力学方面具备承载高功率电磁能量的条件；其次，空气填充有较高的击穿电压，在电磁学方面具有承载高功率电磁能量的基础；同时，空气填充的结构避免了介质损耗，使其天然具备低损耗，高效率的特征。
上述实施例仅仅是能够实现本发明技术方案的实施方式之一，本发明所要求保护的范围并不仅仅受本实施例的限制，还包括在本发明所公开的技术范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员所容易想到的变化、替换及其他实施方式。
Claims (10)
1.一种Ka波段轨道角动量滤波天线，其特征在于，包括滤波功分器(1)、移相器模块(2)、扭转波导模块(3)及喇叭天线模块(4)；所述滤波功分器(1)、所述移相器模块(2)、所述扭转波导模块(3)及所述喇叭天线模块(4)均为空气填充的全金属结构；
所述滤波功分器(1)，用于对接收的电磁能量进行滤波处理，并将滤波处理后的电磁能量均分为若干路电磁波；其中，所述滤波功分器(1)整体呈环形立体结构；
所述移相器模块(2)设置在所述滤波功分器(1)的底部，用于对所述若干路电磁波进行相位调整，获得若干路不同相位的电磁信号；其中，所述移相器模块(2)的输出端朝所述滤波功分器(1)的底端内侧弯曲；
所述扭转波导模块(3)竖向设置在所述滤波功分器(1)的环形空腔内，用于接收所述若干路不同相位的电磁信号，并将所述若干路不同相位的电磁信号转化为若干路极化方向相同的电磁信号；
所述喇叭天线模块(4)设置在所述扭转波导模块(3)的上方，用于接收所述若干路极化方向相同的电磁信号并输出若干路OAM波束。
2.根据权利要求1所述的一种Ka波段轨道角动量滤波天线，其特征在于，所述滤波功分器(1)采用一分八滤波功分器，所述一分八滤波功分器能够实现十一阶滤波响应和一分八功率分配功能；其中，所述一分八滤波功分器采用若干矩形振腔拼接而成，所述矩形振腔的谐振模式为TE101模式。
3.根据权利要求1所述的一种Ka波段轨道角动量滤波天线，其特征在于，所述滤波功分器(1)包括从上到下分层设置的输入端口(11)、第一振腔单元层(12)、第二振腔单元层(13)、两个第三振腔单元层(14)、四个第四振腔单元层(15)及八个输出端口(16)；
所述输入端口(11)的上端用于与外接信号源相连，所述输入端口(11)的下端与所述第一振腔单元层(12)的上端相连，所述第一振腔单元层(12)的下端与所述第二振腔单元层(13)的上端中部相连；
两个所述第三振腔单元层(14)对称设置在所述第二振腔单元层(13)的下方两端；其中，第一个第三振腔单元层位于所述第二振腔单元层(13)的第一端下方，且所述第二振腔单元层(13)的第一端底面与第一个第三振腔单元层的上端中部相连；第二个第三振腔单元层位于所述第二振腔单元层(13)的第二端下方，且所述第二振腔单元层(13)的第二端底面与第二个第三振腔单元层的上端中部相连；
其中两个所述第四振腔单元层(15)对称设置在第一个第三振腔单元层的下方两端，剩余两个所述第四振腔单元层(15)对称设置在第二个第三振腔单元层的下方两端；具体的，第一个第四振腔单元层的上端中部与第一个第三振腔单元层的第一端底面相连，第二个第四振腔单元层的上端中部与第一个第三振腔单元层的第二端底面相连，第三个第四振腔单元层的上端中部与第二个第三振腔单元层的第一端底面相连，第四个第四振腔单元层的上端中部与第二个第三振腔单元层的第二端底面相连；
每个第四振腔单元层(15)的下方两端分别设置有两个输出端口(16)；其中，所述输出端口(16)的上端与所述第四振腔单元层(15)的端部底面相连。
4.根据权利要求3所述的一种Ka波段轨道角动量滤波天线，其特征在于，所述第一振腔单元层(12)包括一个矩形振腔；所述第二振腔单元层(13)包括呈圆弧形分布且依次相连的九个矩形振腔；所述第三振腔单元层(14)包括呈圆弧形分布且依次相连的五个矩形振腔；所述第四振腔单元层(15)包括呈圆弧形分布且依次相连的三个矩形振腔；其中，所有所述矩形振腔的谐振模式均为TE101模式。
5.根据权利要求1所述的一种Ka波段轨道角动量滤波天线，其特征在于，所述移相器模块(2)包括若干个U型波导移相器(21)，若干所述U型波导移相器(21)呈环形阵列分布；其中，所述U型波导移相器(21)的个数与所述滤波功分器1输出的电磁波的路数相同，每个所述U型波导移相器(21)采用将矩形波导弯折180°形成。
6.根据权利要求5所述的一种Ka波段轨道角动量滤波天线，其特征在于，相邻两个所述U型波导移相器(21)输出的电磁信号的相位差为45°。
7.根据权利要求1所述的一种Ka波段轨道角动量滤波天线，其特征在于，所述扭转波导模块(3)包括竖向设置的若干扭转波导本体(31)，且若干所述扭转波导本体(31)呈环形阵列分布；所述扭转波导本体(31)包括从下到上依次设置的输入波导段(301)、第一扭转波导段(302)、第二扭转波导段(303)及输出波导段(304)；
其中，所述输入波导段(301)及所述输出波导段(304)均为矩形波导；所有所述扭转波导本体(31)中的所述输入波导段(301)呈环形阵列分布，所述输入波导段(301)的下端用于与所述移相器模块(2)的对应输出口相连；所有所述扭转波导本体(31)中的所述输出波导段(304)呈环形阵列分布，所述输出波导段(304)的上端用于与喇叭天线模块(4)的对应输入口相连，且所有所述扭转波导本体(31)中的所述输出波导段(304)的长轴方向平行设置。
8.根据权利要求1所述的一种Ka波段轨道角动量滤波天线，其特征在于，所述喇叭天线模块(4)包括若干喇叭天线本体(41)，若干所述喇叭天线本体(41)呈环形阵列分布，且所有所述喇叭天线本体(41)的喇叭口面方向一致。
9.根据权利要求1所述的一种Ka波段轨道角动量滤波天线，其特征在于，所述喇叭天线本体(41)的E面方向图波束宽度与H面方向图波束宽度相同。
10.根据权利要求1所述的一种Ka波段轨道角动量滤波天线，其特征在于，在频率为25.9-29.9GHz条件下，所述Ka波段轨道角动量滤波天线的反射系数小于-13dB，传输系数为-9.2dB；所述Ka波段轨道角动量滤波天线在工作频带内的增益为13.5dB。
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