CN204834880U - 一种基于环形槽线的oam螺旋波束发生器 - Google Patents
一种基于环形槽线的oam螺旋波束发生器 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种基于环形槽线的OAM螺旋波束发生器，利用能够实现90°相移的功分器作为微带馈电网络，为圆环形槽线上的两个波源激励端口提供相位差为90°的波源，在圆环形槽线天线中形成行波，辐射到空气中产生OAM螺旋波束，并且通过改变圆环形槽线的尺寸能产生不同模式的OAM螺旋波束。本实用新型提供的OAM螺旋波束发生器结构简单，易于制作与集成，对于OAM射频通信具有重要意义。
Description
技术领域
本实用新型属于OAM射频无线通信技术领域，具体涉及一种基于环形槽线的OAM螺旋波束发生器。
背景技术
近年来通信技术的快速发展对通信容量提出了越来越高的要求，如何提高频率利用率，尽可能提高系统容量，已成为业界极其关心的问题。
角动量是电磁波的基本物理特性之一，它大体上划分为旋转角动量(SAM)和轨道角动量(OAM)。相比于旋转角动量，轨道角动量前景更好，因为旋转角动量由于它电磁波的极化状态只提供了有限的信道；然而轨道角动量拥有无限多个相互正交的模式，因而在理论上能够提供许多传输信道从而提高传输容量。
轨道角动量复用技术在光频段已经实现，中国专利CN104007567A、CN103941405A、CN103487956A等对轨道角动量复用技术在光频段的实现方法进行了介绍；然而轨道角动量复用技术在射频频段实现较为困难，目前，中国专利CN103474776A公开了一种基于环形行波天线产生射频轨道角动量波束的方法，在理论层面论证了产生射频OAM波束的环形行波天线的特点；中国专利CN103474777A公开了一种基于金属环形腔的产生射频OAM波束的环形行波天线，通过在环形金属腔顶面开缝，在金属环形腔侧面相距1/4圆周处开有两个波端口接金属波导作为双源激励端口，当这两个激励端口中输入相同频率，相位相差90°的微波源，金属环形腔中的电磁场成绕圆周顺时针或者逆时针传播的行波分布，由金属腔顶面的开缝处向空间辐射电磁波，构成一种环形行波天线，然而，上述发明公开的行波天线结构复杂，难于制作，且不易集成，不利于加快和促进未来的射频OAM波束高速通信发展。
因此，急需研究开发一种结构简单，易于制作集成的能够产生射频OAM螺旋波束的发生器。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种结构简单，易于制作集成的基于环形槽线的OAM螺旋波束发生器。
本实用新型的目的是这样实现的，包括设置于第一铜板上表面的圆环形槽线、设置于第一铜板下表面的介质基板，设置于介质基板下表面的微带馈电网络，以及设置于介质基板下方的第二铜板，所述介质基板与第二铜板之间设置多个支撑介质柱，所述圆环形槽线上沿圆周方向分别设置有波源激励端口p1和波源激励端口p2；所述微带馈电网络包括相移功分器、与相移功分器输入端相连接的信号输入端口p3以及分别与相移功分器的输出端相连接的输出微带线q1和输出微带线q2；所述输出微带线q1对波源激励端口p1进行馈电，所述输出微带线q2对波源激励端口p2进行馈电；所述第一铜板与第二铜板的边缘外围采用环形铜板包覆。
本实用新型针对具有巨大应用潜力的OAM无线通信系统，提出了一种简单可行的基于环形槽线的OAM螺旋波束发生器；对于构建OAM无线通信系统，加快OAM无线通信的实用化，具有非常重要的意义。
本实用新型的圆环形槽线使用微带线进行激励，设计了一个威尔金森功分器来为圆环形槽线提供两个相位相差90°的波源，在圆环形槽线中形成行波，辐射到空气中产生射频OAM波束，并且通过改变环形槽线尺寸能产生不同模式数的OAM螺旋波束，该波束发生器结构简易，易于制作集成。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图；
图2为本实用新型中圆环形槽线的示意图；
图3为本实用新型中微带馈电网络的示意图；
图4为本实用新型中圆环形槽线与微带馈电网络相对位置关系的示意图；
图中：1-第一铜板、2-圆环形槽线、3-介质基板、4-第二铜板、5-支撑介质柱、6-相移功分器、7-环形铜板。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步的说明，但不得以任何方式对本实用新型加以限制，基于本实用新型教导所作的任何变更或改进，均属于本实用新型的保护范围。
如图1-4所示，本实用新型包括设置于第一铜板1上表面的圆环形槽线2、设置于第一铜板1下表面的介质基板3，设置于介质基板3下表面的微带馈电网络，以及设置于介质基板3下方的第二铜板4，所述介质基板3与第二铜板4之间设置多个支撑介质柱5，所述圆环形槽线2上沿圆周方向分别设置有波源激励端口p1和波源激励端口p2；所述微带馈电网络包括相移功分器6、与相移功分器6输入端相连接的信号输入端口p3以及分别与相移功分器6的输出端相连接的输出微带线q1和输出微带线q2；所述输出微带线q1对波源激励端口p1进行馈电，所述输出微带线q2对波源激励端口p2进行馈电；所述第一铜板1与第二铜板2的边缘外围采用环形铜板7包覆。
所述圆环形槽线2上沿圆周方向设置的波源激励端口p1和波源激励端口p2之间的距离为n±1/4倍的圆环形槽线2的波导波长，其中n的取值为整数。
所述构成微带馈电网络的输出微带线q1的长度与输出微带线q2的长度相差n±1/4倍的输出微带线q1的波导波长，其中n的取值为整数。
所述相移功分器6为威尔金森功分器。
所述第一铜板1与第二铜板4之间相距1/4倍自由空间波长。
实施例1
步骤一：采用宽度w=2mm的微带线设计工作模式=3，工作频率f=2.4GHZ的圆环形槽线2，采用FR4_epoxy，其介电常数=4.4，厚度h=1.6mm的板材制作介质基板3；其中圆环形槽线2的波导波长为 ，圆环形槽线的周长C为倍波导波长,根据公式（一）计算得到环形槽线天线1的波导波长，
（一）
其中为自由空间波长,，其中c为光速，f为工作频率；
通过上述计算得出，圆环形槽线2的波导波长=95.96mm，圆环形槽线2的周长为倍波导波长，即C=287.88mm，设置于圆环形槽线2上的波源激励端口p1和波源激励端口p2之间相距3/4倍的圆环形槽线2的波导波长，即波源激励端口p1和波源激励端口p2之间相距71.97mm，从而实现圆环形槽线2的设计。
步骤二：将工作频率为1-4GHZ的威尔金森功分器的输出端口分别连接输出微带线q1和输出微带线q2，所述输出微带线q1和输出微带线q2采用宽度=3mm的微带线制作，根据公式（二）计算得出等效介电常数，根据公式（三）计算得输出微带线q1的波导波长，
（二）
（三）
计算得出输出微带线q1的波导波长=68mm，将输出微带线q1和输出微带线q2之间的长度差调整为1/4倍的输出微带线q1的波导波长，即输出微带线q1比输出微带线q2延长17mm，从而实现威尔金森功分器两输出端输出90°的相差；调整两输出微带线的走向布局，使得两个输出微带线的相对位置关系与圆环形槽线2的两个波源激励端口的位置关系一致，从而实现微带馈电网络的设计。
步骤三：将圆环形槽线2刻蚀在第一铜板1的上表面，将由威尔金森功分器改造形成的微带馈电网络刻蚀在介质基板3的下表面；同轴探针穿过第一铜板1和介质基板3连接到信号输入端口p3作为威尔金森功分器的信号输入，两个输出微带线沿径向方向延伸到圆环形槽线的两个波源激励端口的下方，分别对圆环形槽线的两个波源激励端口进行馈电，在与第一铜板1相距1/4倍自由空间波长处放置第二铜板4，同时第一铜板1与第二铜板4的边缘外围采用环形铜板7包覆；所述第一铜板1下表面与介质基板3于第二铜板4之间均匀设置4个介电常数为2.1的聚四氟乙烯支撑介质柱5；从而实现能够产生射频OAM螺旋波束的发生器的设计。
步骤四：采用HFSS软件对设计出的发生器进行建模和仿真，得到环形行波天线在空间辐射的电场相位分布图，由图可见电场相位围绕传播方向轴的圆周角的变化呈现涡旋特性，且电场相位沿圆周一圈变化满足 ，符合工作模式为3的螺旋波束特性。
实施例2
步骤一：采用宽度w=2mm的微带线设计工作模式=2，工作频率f=2.4GHZ的圆环形槽线2，采用FR4_epoxy，介电常数=4.4，厚度h=1.6mm的板材制作介质基板3；其中圆环形槽线2的波导波长为 ，圆环形槽线2的周长C为倍波导波长，根据公式（一）计算得到环形槽线天线2的波导波长，
（一）
其中为自由空间波长,，其中c为光速，f为工作频率；
通过上述计算得出，圆环形槽线2的波导波长=95.96mm，圆环形槽线2的周长为倍波导波长，即C=287.88mm，设置于圆环形槽线2上的波源激励端口p1和波源激励端口p2之间相距1/4倍的圆环形槽线2的波导波长，即波源激励端口p1和波源激励端口p2之间相距24mm，从而实现圆环形槽线2的设计。
步骤二：将工作频率为1-4GHZ的威尔金森功分器的输出端口分别连接输出微带线q1和输出微带线q2，所述输出微带线q1和输出微带线q2采用宽度=3mm的微带线制作，根据公式（二）计算得出等效介电常数，根据公式（三）计算得输出微带线q1的波导波长，
（二）
（三）
计算得出输出微带线q1的波导波长=68mm，将输出微带线q1和输出微带线q2之间的长度差调整为1/4倍的输出微带线q1的波导波长，即输出微带线q1比输出微带线q2延长17mm，从而实现威尔金森功分器两输出端输出90°的相差；调整两输出微带线的走向布局，使得两个输出微带线的相对位置关系与圆环形槽线2的两个波源激励端口的位置关系一致，从而实现微带馈电网络的设计。
步骤三：将圆环形槽线2刻蚀在第一铜板1的上表面，将由威尔金森功分器改造形成的微带馈电网络刻蚀在介质基板3的下表面；同轴探针穿过第一铜板1和介质基板3连接到信号输入端口p3作为威尔金森功分器的信号输入，两个输出微带线沿径向方向延伸到圆环形槽线的两个波源激励端口的下方，分别对圆环形槽线的两个波源激励端口进行馈电，在与第一铜板1相距1/4倍自由空间波长处放置第二铜板4，同时第一铜板1与第二铜板4的边缘外围采用环形铜板7包覆；所述第一铜板1下表面与介质基板3于第二铜板4之间均匀设置4个介电常数为2.1的聚四氟乙烯支撑介质柱5；从而实现能够产生射频OAM螺旋波束的发生器的设计。
步骤四：采用HFSS软件对设计出的天线进行建模和仿真，得到环形行波天线在空间辐射的电场相位分布图，由图可见电场相位围绕传播方向轴的圆周角的变化呈现涡旋特性，且电场相位沿圆周一圈变化满足 ，符合工作模式为2的螺旋波束特性。
实施例3
步骤一：采用宽度w=2mm的微带线设计工作模式=4，工作频率f=2.4GHZ的圆环形槽线2，采用FR4_epoxy，其介电常数=4.4，厚度h=1.6mm的板材制作介质基板3；其中圆环形槽线2的波导波长为 ，圆环形槽线的周长C为倍波导波长,根据公式（一）计算得到环形槽线天线1的波导波长，
（一）
其中为自由空间波长,，其中c为光速，f为工作频率；
通过上述计算得出，圆环形槽线2的波导波长=95.96mm，圆环形槽线2的周长为倍波导波长，即C=287.88mm，设置于圆环形槽线2上的波源激励端口p1和波源激励端口p2之间相距1/4倍的圆环形槽线2的波导波长，即波源激励端口p1和波源激励端口p2之间相距24mm，从而实现圆环形槽线2的设计。
将工作频率为1-4GHZ的威尔金森功分器的输出端口分别连接输出微带线q1和输出微带线q2，所述输出微带线q1和输出微带线q2采用宽度=3mm的微带线制作，根据公式（二）计算得出等效介电常数，根据公式（三）计算得输出微带线q1的波导波长，
（二）
（三）
计算得出输出微带线q1的波导波长=68mm，将输出微带线q1和输出微带线q2之间的长度差调整为1/4倍的输出微带线q1的波导波长，即输出微带线q1比输出微带线q2延长17mm，从而实现威尔金森功分器两输出端输出90°的相差；调整两输出微带线的走向布局，使得两个输出微带线的相对位置关系与圆环形槽线2的两个波源激励端口的位置关系一致，从而实现微带馈电网络的设计。
步骤三：将圆环形槽线2刻蚀在第一铜板1的上表面，将由威尔金森功分器改造形成的微带馈电网络刻蚀在介质基板3的下表面；同轴探针穿过第一铜板1和介质基板3连接到信号输入端口p3作为威尔金森功分器的信号输入，两个输出微带线沿径向方向延伸到圆环形槽线的两个波源激励端口的下方，分别对圆环形槽线的两个波源激励端口进行馈电，在与第一铜板1相距1/4倍自由空间波长处放置第二铜板4，同时第一铜板1与第二铜板4的边缘外围采用环形铜板7包覆；所述第一铜板1下表面与介质基板3于第二铜板4之间均匀设置4个介电常数为2.1的聚四氟乙烯支撑介质柱5；从而实现能够产生射频OAM螺旋波束的发生器的设计。
步骤四：采用HFSS软件对设计出的天线进行建模和仿真，得到环形行波天线在空间辐射的电场相位分布图，由图可见电场相位围绕传播方向轴的圆周角的变化呈现涡旋特性，且电场相位沿圆周一圈变化满足，符合工作模式为4的螺旋波束特性。
实施例4
采用宽度w=2mm的微带线设计工作模式=5，工作频率f=2.4GHZ的圆环形槽线2，采用FR4_epoxy，介电常数=4.4，厚度h=1.6mm的板材制作介质基板3；其中圆环形槽线2的波导波长为 ，圆环形槽线的周长C为倍波导波长，根据公式（一）计算得到环形槽线天线1的波导波长，
（一）
其中为自由空间波长,，其中c为光速，f为工作频率；
通过上述计算得出，圆环形槽线2的波导波长=95.96mm，圆环形槽线2的周长为倍波导波长，即C=479.8mm，设置于圆环形槽线2上的波源激励端口p1和波源激励端口p2之间相距1/4倍的圆环形槽线2的波导波长，即波源激励端口p1和波源激励端口p2之间相距24mm，从而实现圆环形槽线2的设计。
将工作频率为1-4GHZ的威尔金森功分器的输出端口分别连接输出微带线q1和输出微带线q2，所述输出微带线q1和输出微带线q2采用宽度=3mm的微带线制作，根据公式（二）计算得出等效介电常数，根据公式（三）计算得输出微带线q1的波导波长，
（二）
（三）
计算得出输出微带线q1的波导波长=68mm，将输出微带线q1和输出微带线q2之间的长度差调整为1/4倍的输出微带线q1的波导波长，即输出微带线q1比输出微带线q2延长17mm，从而实现威尔金森功分器两输出端输出90°的相差；调整两输出微带线的走向布局，使得两个输出微带线的相对位置关系与圆环形槽线2的两个波源激励端口的位置关系一致，从而实现微带馈电网络的设计。
步骤三：将圆环形槽线2刻蚀在第一铜板1的上表面，将由威尔金森功分器改造形成的微带馈电网络刻蚀在介质基板3的下表面；同轴探针穿过第一铜板1和介质基板3连接到信号输入端口p3作为威尔金森功分器的信号输入，两个输出微带线沿径向方向延伸到圆环形槽线的两个波源激励端口的下方，分别对圆环形槽线的两个波源激励端口进行馈电，在与第一铜板1相距1/4倍自由空间波长处放置第二铜板4，同时第一铜板1与第二铜板4的边缘外围采用环形铜板7包覆；所述第一铜板1下表面与介质基板3于第二铜板4之间均匀设置4个介电常数为2.1的聚四氟乙烯支撑介质柱5；从而实现能够产生射频OAM螺旋波束的发生器的设计。
步骤四：采用HFSS软件对设计出的天线进行建模和仿真，得到环形行波天线在空间辐射的电场相位分布图，由图可见电场相位围绕传播方向轴的圆周角的变化呈现涡旋特性，且电场相位沿圆周一圈变化满足 ，符合工作模式为5的螺旋波束特性。
上面结合附图对本实用新型的实施例进行了详细描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式。本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求的保护范围下，还可以设计出工作在其他频率和其他工作模式的可以产生射频OAM螺旋波束的发生器，亦可以采用其他的相移功分器结构构成微带馈电网络对圆环形槽线双端口馈电；然而，在能够产生OAM射频螺旋波束的发生器结构中凡是利用了本实用新型提供的结构，以及利用了相移功分器以本设计中的共用介质基板馈电方式的，均属于本实用新型的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于环形槽线的OAM螺旋波束发生器，其特征在于：包括设置于第一铜板（1）上表面的圆环形槽线（2）、设置于第一铜板（1）下表面的介质基板（3），设置于介质基板（3）平面上的微带馈电网络，以及设置于介质基板（3）下方的第二铜板（4），所述介质基板（3）与第二铜板（4）之间设置多个支撑介质柱（5），所述圆环形槽线（2）上沿圆周方向分别设置有波源激励端口p1和波源激励端口p2；所述微带馈电网络包括相移功分器（6）、与相移功分器（6）输入端相连接的信号输入端口p3以及分别与相移功分器（6）的输出端相连接的输出微带线q1和输出微带线q2；所述第一铜板（1）与第二铜板（4）的边缘外围采用环形铜板（7）包覆。
2.根据权利要求1所述的基于环形槽线的OAM螺旋波束发生器，其特征在于：所述圆环形槽线（2）上沿圆周方向设置的波源激励端口p1和波源激励端口p2之间的距离为n±1/4倍的圆环形槽线（2）的波导波长，其中n的取值为整数。
3.根据权利要求1所述的基于环形槽线的OAM螺旋波束发生器，其特征在于：所述构成微带馈电网络的输出微带线q1的长度与输出微带线q2的长度相差n±1/4倍的输出微带线q1的波导波长，其中n的取值为整数。
4.根据权利要求1所述的基于环形槽线的OAM螺旋波束发生器，其特征在于：所述相移功分器（6）为威尔金森功分器。
5.根据权利要求1所述的一种基于环形槽线的OAM螺旋波束发生器，其特征在于：所述第一铜板（1）与第二铜板（4）之间相距1/4倍自由空间波长。
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|---|---|---|---|---|
| CN110190380A (zh) * | 2019-05-13 | 2019-08-30 | 浙江大学 | 一种基于环形销钉阵列的射频平面螺旋轨道角动量天线 |
| CN112909563A (zh) * | 2021-01-19 | 2021-06-04 | 浙江大学 | 一种产生射频平面螺旋轨道角动量模群的扇环谐振腔天线 |
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| CN110190380B (zh) * | 2019-05-13 | 2020-05-19 | 浙江大学 | 一种基于环形销钉阵列的射频平面螺旋轨道角动量天线 |
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