CN205178005U - 一种圆形微带贴片oam天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种圆形微带贴片OAM天线，包括依次顺序重叠设置的圆形微带贴片、第一介质基板、公共接地板、第二介质基板和3dB正交混合馈电网络，所述圆形微带贴片、第一介质基板、公共接地板和第二介质基板上均设置有两个在厚度方向上贯穿圆形微带贴片、第一介质基板、公共接地板和第二介质基板的通孔，所述圆形微带贴片上设置的两个通孔分别为通孔p1和通孔p2，所述3dB正交混合馈电网络包括正交网络、信号输出端口q1、信号输出端口q2、信号输入端口q3和信号输入端口q4，所述通孔p1与信号输出端口q1电连通，所述通孔p2和信号输出端口q2电连通。
Description
技术领域
本实用新型属于无线通信技术领域，具体涉及一种可用于在微波频段发射和接收OAM螺旋波束的圆形微带贴片OAM天线。
背景技术
随着无线接入的迅猛发展，用户数据海量增加，对通信系统的数据传输和处理能力提出了更高的要求，因此进一步提高无线电频谱效率是无线业务发展的关键问题之一。复用技术使得有限的频谱提供更多数量的传输信道，是提升频谱利用率的重要途径。目前商用移动通信系统中使用的复用资源为时间(TDM)、空间(SDM)、码型(CDM)、极化(PDM)、频率(FDM)、波长(WDM，用于光纤)等参数。OAM，即轨道角动量，是描述电磁波横向旋转特性的参数，且不同OAM模式之间存在内在的正交关系，满足信道分离的要求，因此有极大的潜力可应用于未来的通信系统中。
OAM天线用于收发OAM波束，是OAM通信系统的重要组成部分。目前在微波频段生成OAM波束的方式主要有以下几种：1、中国专利201280077902.4公开了一种圆环形相控天线阵，通过整阵元的电流相位来构造螺旋相位因子从而使阵列能够生成所有|l|<N/2的OAM波束，这里l和N分别表示方位角、OAM模式数和阵元数量，上述方法模式重构能力强，但需要设计复杂的馈电网络，实现难度较大；2、意大利帕多瓦大学申请的专利WO2012175629A1公开了一种修正抛物面天线，这种方法在标准的旋转抛物面上引入一个径向切口，并按阿基米德螺旋规律在抛物面轴线方向上延伸一段距离，从而使馈源辐射的无线电波在经过螺旋抛物面反射后在其波前中形成螺旋结构，这种方法实现简单，但不具备模式重构能力；3、中国专利201310433063.1公开了一种圆环形天线，这种天线的辐射圆环周长等于波导波长的整数倍，使用双端口馈电使环上电流处于行波状态，从而能生成OAM波束，该方法具备一定的模式重构能力。
与上述思想不同，本实用新型提供了一种微带圆形贴片结构，采用双端口馈电的方式，生成OAM波束的天线，该天线具有OAM模式重构能力，并且结构简单易实现。
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实现，且具备模式重构能力的OAM天线。本实用新型的目的是这样实现的，包括：依次顺序重叠设置的圆形微带贴片、第一介质基板、公共接地板、第二介质基板和3dB正交混合馈电网络，所述圆形微带贴片、第一介质基板、公共接地板和第二介质基板上均设置有两个在厚度方向上贯穿圆形微带贴片、第一介质基板、公共接地板和第二介质基板的通孔；所述圆形微带贴片上设置的两个通孔分别为通孔p1和通孔p2，所述3dB正交混合馈电网络包括正交网络、信号输出端口q1、信号输出端口q2、信号输入端口q3和信号输入端口q4，所述通孔p1与信号输出端口q1电连通，所述通孔p2和信号输出端口q2电连通。
本实用新型采用一个3dB正交混合网络来为圆形微带贴片提供两个幅度相等但相位相差90°的波源，在双端口馈电的条件下，两个激励端口各自激励起的TMnm模式正交，贴片表面的电流处于行波状态，辐射到空气中产生具有相应模式数的OAM波束，该OAM天线结构简单，易于制作集成。
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圆形微带贴片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，具有重要的意义。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图；
图2为图1的俯视图；
图3为图1的仰视图；
图4为本实用新型中圆形微带贴片与3dB正交混合网络的相对位置关系示意图；
图中：1-圆形微带贴片、2-第一介质基板、3-公共接地板、4-第二介质基板、5-3dB正交混合馈电网络。
具体实施方式
如图1-4所示，本实用新型提供的圆形微带贴片OAM天线包括依次顺序重叠设置的圆形微带贴片1、第一介质基板2、公共接地板3、第二介质基板4和3dB正交混合馈电网络5，所述圆形微带贴片1、第一介质基板2、公共接地板3和第二介质基板4上均设置有两个在厚度方向上贯穿圆形微带贴片1、第一介质基板2、公共接地板3和第二介质基板4的通孔，且所述公共接地板3在两个通孔位置处分别设置有隔离环；所述3dB正交混合馈电网络5包括正交网络、信号输出端口q1、信号输出端口q2、信号输入端口q3和信号输入端口q4，所述通孔p1与信号输出端口q1电连通，所述通孔p2和信号输出端口q2电连通。
根据腔膜理论，圆形微带贴片OAM天线腔内电场的形式为这里Jn(·)表示第一类贝塞尔函数，knm＝χnm/a是谐振模式TMnm的模式波数。圆形微带贴片的半径与谐振频率的关系为其中χnm是J′(·)＝0的第m个根，J′(·)是第一类贝塞尔函数的导数，a是圆形微带贴片的半径，ρ为波源激励端口的径向距离。对于工作频率大于2GHz的天线，则在上述公式中使用等效半径ae进行计算，圆形微带贴片的半径a与等效半径ae之间的关系为ae＝a[1+2h(ln(πa/2h)+1.7726)/(πaεr)]1/2，其中h为介质基板的厚度。
实施例1
对于工作频率f＝2GHz的天线，采用FR4_epoxy材料(其介电常数εr＝4.6，单层厚度h＝0.8mm)制作第一介质基板2和第二介质基板4。如前所述，χnm是J′(·)＝0的根，因此对于TM11、TM21和TM31模式，χnm依次为1.84118、3.054和4.201；根据谐振频率的计算公式，工作于TM11、TM21和TM31模式的基于圆形微带贴片的OAM天线，其贴片半径分别为20.4934mm、34.2mm和46.76mm。通孔p1和通孔p2相距(2k+1)90°/l的角向距离，其中k和l均为整数，在此实施例中取k＝0，从信号输入端口q3或者q4进行馈电。采用HFSS软件对设计出的OAM天线进行建模和仿真，腔内各个谐振模式的电场分布具有如下特点：靠近圆周附近的区域电场强度较强，这些局部强场区域沿着圆周等距分布，如果将这些区域看做天线阵的阵元，则它们一起构成了一个圆环形天线阵，因此工作在特定谐振模式TMnm的圆形微带贴片OAM天线，其辐射特性与圆环形天线阵具有相似的特性；在圆形微带贴片OAM天线所辐射的螺旋波束的横向电场的强度分布图中可以看到OAM天线所辐射波束的电场强度分布具有螺旋波束螺旋和中空的特点；在其横向电场的相位分布图中可以看到OAM天线所辐射波束具有螺旋的相位结构；即本实用新型提供的圆形微带贴片OAM天线能够产生具有明确定义的OAM模式波束。
对于本实用新型中提供的对圆形微带贴片1进行馈电的3dB正交混合馈电网络5，信号从信号输入端口q3或信号输入端口q4输入，经过正交网络后从信号输出端口q1和信号输出端口q2输出，此时两路输出信号幅度相等，相位相差90°。当信号从信号输入端口q3输入时，从信号输出端口q1输出的信号比从信号输出端口q2输出的信号在相位上超前90°；当信号从信号输入端口q4输入时，从信号输出端口q1输出的信号比从信号输出端口q2输出的信号在相位上滞后90°；故采用上述3dB正交混合馈电网络5进行馈电的圆形微带贴片OAM天线具有重构旋转方向相反的OAM模式的能力。
另外，还可以使用由一个威尔金森功分器加上一个90°相移器构成的混合电路对圆形微带贴片1进行馈电，同样也能在圆形微带贴片1的两个通孔输入信号幅度相等，相位相差90°的信号。但这种馈电方式下天线不具备模式重构能力。
上面结合附图对本实用新型的实施进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，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所保护的范围情况下，还可以做出许多形式，这均属于本实用新型的保护之内。
Claims (2)
1.一种圆形微带贴片OAM天线，其特征在于，包括：依次顺序重叠设置的圆形微带贴片（1）、第一介质基板（2）、公共接地板（3）、第二介质基板（4）和3dB正交混合馈电网络（5），所述圆形微带贴片（1）、第一介质基板（2）、公共接地板（3）和第二介质基板（4）上均设置有两个在厚度方向上贯穿圆形微带贴片（1）、第一介质基板（2）、公共接地板（3）和第二介质基板（4）的通孔；所述圆形微带贴片（1）上设置的两个通孔分别为通孔p1和通孔p2，所述3dB正交混合馈电网络（5）包括正交网络、信号输出端口q1、信号输出端口q2、信号输入端口q3和信号输入端口q4，所述通孔p1与信号输出端口q1电连通，所述通孔p2和信号输出端口q2电连通。
2.根据权利要求1所述的圆形微带贴片OAM天线，其特征在于，所述公共接地板（3）上的两个通孔位置处分别设置有隔离环。
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