CN207611862U - 一种实现多模态涡旋电磁波的阵列天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种实现多模态涡旋电磁波的阵列天线，涉及无线通信技术领域。本实用新型包括所述的介质基板、2×2微带天线阵列、“十字形”馈电网络、金属地板和法布里腔体介质板。介质基板上表面的微带电路，一部分是由4个矩形辐射贴片作阵元组成的2×2微带天线阵列，另一部分是采用四个微带线3dB定向耦合器，两两相互级联构成的“十字形”馈电网络，介质基板下表面是附上薄层金属的地板，位于金属地板上方的法布里腔体介质板与金属地板一起构成的法布里腔体，来提高天线的增益特性，设计的天线阵列可产生l＝+1，0，‑1模式的涡旋电磁波。本实用新型实现了一种体积小、增益高可同时产生多模态涡旋电磁波的阵列天线，方便操作，使用简单。

Description

一种实现多模态涡旋电磁波的阵列天线

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，更具体地，涉及一种实现多模态涡旋电磁波的阵列天线。

背景技术

随着智能终端的普及以及移动互联网应用的发展，频谱利用率和系统容量已经趋近香农极限，容量需求不断扩大与频谱资源日益短缺的矛盾成为了限制无线通信技术发展的一大瓶颈。不同于传统平面电磁波，携有轨道角动量(OAM-orbital angular momentum)的涡旋电磁波以轨道角动量为载体，具有信息容量大和保密性强等优点，极大地提高了频谱利用率。研究产生携带轨道角动量涡旋电磁波的方法是基础。就目前研究来看，涡旋电磁波的产生方式主要有：阵列天线(即控制相位方法)、螺旋形抛物面天线和螺旋相位平板等方法。由于微带天线具有轻便、体积小、易于制造等特点，已广泛应用于实际生产生活中。

为了在无线通信系统中利用OAM波束，第一步就是要高效地产生携带轨道角动量的电磁波。根据已有文献资料，携带OAM的波束可以通过N个阵元的相控圆形阵列来产生，条件是使阵列天线沿z轴对称均匀排列，为各阵元馈送幅度相等的信号，且使相邻阵元之间的馈电相位差为±2πl/N，使得涡旋波束围绕z轴旋转一周后，相位刚好增加±2πl。其中l为所需要的OAM模态值。通过改变阵元之间馈电相位差来产生不同的OAM模态。由于该结构对各阵元之间相位差很敏感，因此如何设计出满足条件的馈电网络结构具有重要意义。目前已经有很多学者进行了OAM阵列天线相关的馈电网络结构的研究。例如：基于罗曼透镜的馈电网络结构、基于环形阵列的径向功率分配器结构、基于巴特勒矩阵的馈电网络结构等。然而这些馈电网络结构的尺寸仍然偏大，设计复杂，相位难控制，有的只能实现单模式的涡旋电磁波束等。

实用新型内容

本发明提供了一种实现多模态涡旋电磁波的阵列天线，解决了现有的相同功能阵列天线体积大和模式单一等缺点，同时提出的一种实现多模的馈电网络结构，方便使用，操作简单，可同时产生多个模态的涡旋电磁波波束；

本发明提出的一种实现多模态涡旋电磁波的阵列天线，包括介质基板、2×2微带天线阵列、“十字形”馈电网络、金属地板和加载的法布里腔体介质板；

所述的2×2微带天线阵列，其结构是由4个矩形辐射贴片作阵元通过微带线功分器连接成的，矩形辐射贴片单元外侧的长和宽边分别加载寄生的矩形金属片，2×2微带天线阵的阵元均匀排布在介质基板上表面，间距为a；

所述的“十字形”馈电网络，其结构是采用四个微带线3dB定向耦合器，使其两两相互级联构成“十字形”，“十字形”馈电网络的输入、输出端口的特性阻抗均为50欧姆，在“十字形”馈电网络的一个输出端口加了长度为λ/2的弯折线，用来实现相位改变；

2×2微带天线阵列与“十字形”馈电网络相连接。当“十字形”馈电网络的不同输入端口激励，天线阵元被馈以幅度相等，并获得(0°，90°，180°，270°)、(90°，180°，90°，180°)和(180°，90°，0°，270°)不同相位的信号，即可在垂直于多模态涡旋电磁波的阵列天线的平面内产生模式数为+1，0，-1的涡旋电磁波；

所述的加载的法布里腔体介质板与金属地板构成的法布里腔体，使得产生的电磁波在腔体之间来回反射，提高天线的增益特性；

与现有的产生多模态的涡旋电磁波阵列天线及其馈电网络结构相比，本发明具有以下优点：

1)利用耦合器相互级联构成的“十字形”馈电网络结构的不同输入端口激励即可得到l＝+1，0，-1三种OAM模态，方便操作，使用简单；

2)通过在矩形辐射贴片单元的外侧加载的寄生矩形金属片可以提高天线增益和带宽；

3)通过在金属地板上方的加载的法布里腔体介质板与金属地板一起构成的法布里腔体，可以提高天线的增益性能。

附图说明

图1是一种实现多模态涡旋电磁波的阵列天线示意图；

图2是一种实现多模态涡旋电磁波的阵列天线的侧视图；

图3是2×2微带天线阵列的阵元；

图4是“十字形”馈电网络；

图5是“十字形”馈电网络与2×2微带天线阵列相连接的整体天线结构放大图；

图6是图1中法布里腔体介质板；

图中，1、介质基板；2、金属地板；3、2×2微带天线阵列；4、“十字形”馈电网络；5、二分之一介质波长弯折线；6、输出端口1；7、输出端口2；8、输出端口3；9、输出端口4；10、输入端口1；11、输入端口2；12、输入端口3；13、输入端口4；14-17、四个耦合器单元；18、法布里腔体介质板；19、法布里腔体介质板上的金属条；20、“十字形”馈电网络端口与天线阵元的连接线；29、贴片单元；30-31、加载的寄生矩形金属片；33-36、四个天线阵元；40-43、四个空气支柱；

图7为实施例1所示的“十字形”馈电网络的反射系数曲线图；

图8为实施例1所示的从输入端口1(10)馈电时，四个输出端口的相位图；

图9为实施例1所示的从输入端口1(10)馈电时，四个输出端口的反射系数曲线图；

图10为实施例1所示的从输入端口2(11)馈电时，四个输出端口的相位图；

图11为实施例1所示的从输入端口2(11)馈电时，四个输出端口的反射系数曲线图；

图12为实施例1所示的从输入端口3(12)馈电时，四个输出端口的相位图；

图13为实施例1所示的从输入端口3(12)馈电时，四个输出端口的反射系数曲线图；

图14为实施例1所示的从输入端口4(13)馈电时，四个输出端口的相位图；

图15为实施例1所示的从输入端口4(13)馈电时，四个输出端口的反射系数曲线图；

图16为实施例1所示从输入端口2(11)馈电时，天线传播方向上的某一平面电场；

图17(a)为实施例1所示从输入端口1(10)馈电时，天线传播方向上的某一平面电场；

图17(b)为实施例1所示从输入端口3(13)馈电时，天线传播方向上的某一平面电场；

图18为实施例1所示的反射系数曲线图

图19为实施例1所示的l＝0的增益曲线图；

图20为实施例1所示的l＝+1的增益曲线图；

图21为实施例1所示的l＝-1的增益曲线图；

实施例

下面结合附图和实施例对本发明作具体说明。

本发明提出的一种实现多模态涡旋电磁波的阵列天线，包括介质基板、介质基板上表面2×2微带天线阵列、“十字形”的馈电网络、金属地板和加载的法布里腔体介质板，具体为介质基板(1)、金属地板(2)、2×2微带天线阵列(3)、“十字形”馈电网络(4)、法布里腔体介质板(18)、固定腔体的支柱(40)六部分；

所述介质基板(1)上表面附有2×2微带天线阵列(3)，天线阵元(如图3中黑色虚线框所示)成正方形排布，间距为a。“十字形”馈电网络(4)分布在介质基板(1)的中心区域(如图3中灰色虚线框所示)；介质基板下表面附有金属地板(2)。介质基板(1)与金属地板(2)的尺寸相同L＝240mm、W＝236mm。介质基板(1)采用FR4材料，相对介电常数ε_r＝4.4，厚度h＝0.8mm，金属地板材料为铜；

图4是2×2微带天线阵列的一个阵元，天线阵元是由4个矩形辐射贴片单元(29)通过微带线功分器结构(20)连接，每个矩形辐射贴片单元的宽W8＝11.5mm，长L8＝10.8mm中心频率f＝6GHz，矩形辐射贴片单元外侧的长和宽边处分别加载寄生的矩形金属片(30)、(31)。金属片(30)的尺寸L4＝11.5mm，W4＝2.4mm，金属片(31)的尺寸L5＝10.8mm，W5＝2.4mm；天线阵元成正方形排布，间距a＝63mm，上下天线阵元之间成180°对称分布。天线阵元与“十字形”馈电网络端口的连接线长为L6＝30mm；

图3为“十字形”馈电网络。耦合器单元(14)的两个输出端口，分别与相邻的两个耦合器单元(15)(17)的输入端口的一端相连接，耦合器单元(15)(17)的另外一个输入端口与耦合器单元(16)的两个输入端口相连接，即四个耦合器依次相连接构成“十字形”，并形成横向的四个输出端口(6)-(9)，纵向的四个输入端口(10)-(13)，耦合器单元的输入输出端口的特性阻抗均为50欧姆，并在输出端口2(7)加上λ/2长的弯折线。当信号从输入端口1(10)馈入，经过耦合器单元(14)，得到功率相等但相位相差90°的两路信号，0°的一路信号通过相邻的耦合器单元(15)在输出端口(6)(7)分别产生0°，90°相位改变的两路信号，90°的一路信号通过相邻的耦合器单元(17)，在输出端口(8)先实现一个由耦合器产生的90°相位改变，变成180°相位改变的信号再经过λ/2的弯折线后相位再改变180°。最终信号从输入端口1(10)输入在输出端口(8)得到360°(0°)的相位改变，90°的一路信号通过相邻的耦合器单元(17)在输出端口(9)产生仍然是90°的相位改变的一路信号，最终四个输出端口(6)-(9)依次得到(90°，0°，90°，0°)的相位。如此类推，信号从输入端口2(11)馈入，四个输出端口依次得到(0°，270°，180°，90°)的相位，从输入端口3(12)馈入，四个输出端口依次得到(90°，180°，90°，180°)的相位，从输入端口4(13)馈入，四个输出端口依次得到(180°，270°，0°，90°)的相位。该馈电网络中有两种宽度的微带线，分别为W1＝1.56mm，W2＝2.65mm，三种长度的微带线分别为L1＝15mm，L2＝7.6mm，L3＝7mm；

图5是2×2微带天线阵列(3)与“十字形”馈电网络(4)相连接的整体天线结构，“十字形”馈电网络的输出端口(6)(7)接贴片单元挖槽方向朝下的微带天线阵元(33)(34)输出端口(8)(9)接贴片单元挖槽方向朝上的微带天线阵元(35)(36)。由于阵元本身位置摆放形成(0°，0°，180°，180°)的相位，选择输入端口1(10)馈电，4个输出端口的相位为(90°，0°，90°，0°)，最终4个天线阵元可获得(90°，0°，270°，180°)即可在垂直于天线的平面内产生模式数为l＝-1的涡旋电磁波。选择输入端口3(12)馈电，4个天线阵元可获得(90°，180°，270°，0°)的相位，即可在垂直于天线的平面内产生模式数为l＝+1的涡旋电磁波，信号从输入端口2(11)馈电，4个天线阵元可获得(90°，180°，90°，180°)，即可在垂直于天线的平面内产生模式数为l＝0的涡旋电磁波；

图6中厚度为h1＝1.6mm的法布里腔体介质板(18)位于金属地板(2)的上方H＝50mm处，通过四个空气柱子(40)-(43)用来固定法布里腔体介质板与金属地板，从而构成了法布里腔体，电磁波在腔体内连续反射，来提高天线的增益；

本发明的多模态涡旋电磁波的阵列天线工作在4GHz-6.8GHz，且获得l＝1，0，-1的模态，增益分别为11.4dBi、13.9dBi、10.7dBi，如图19-21所示。三个模式下电场图(图16-17)可知多模态涡旋电磁波的阵列天线具有良好的携带OAM的辐射性能。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种实现多模态涡旋电磁波的阵列天线，其特征在于：包括介质基板、介质基板上表面的2×2微带天线阵列、“十字形”馈电网络、加载的法布里腔体介质板和金属地板；天线阵列单元与“十字形”馈电网络相连接且位于介质基板上表面，“十字形”馈电网络为天线阵提供产生涡旋电磁波多模态(+1，0，-1)的相位，实现同一天线阵产生多模态涡旋电磁波，从而减小涡旋电磁波天线阵多模态环形阵列天线的体积。

2.根据权利要求1所述的一种实现多模态涡旋电磁波的阵列天线，其特征在于：天线阵元是由四个矩形辐射贴片和两个在矩形辐射贴片外侧加载的寄生矩形金属片组成，两个加载的寄生矩形金属片，用来提高天线增益和带宽。

3.根据权利要求1所述的一种实现多模态涡旋电磁波的阵列天线，其特征在于：“十字形”馈电网络结构采用四个微带线3dB定向耦合器，使其两两相互级联构成“十字形”结构，具有4个横向的输出端口，4个纵向的输入端口，当纵向的不同端口馈电时，横向输出端口可以分别得到(0°，90°，180°，270°)、(180°，90°，0°，270°)和(90°，180°，90°，180°)的相位，满足涡旋电磁波多模态(+1，0，-1)的相位需求。

4.根据权利要求1所述的一种实现多模态涡旋电磁波的阵列天线，其特征在于：法布里腔体介质板加载于多模涡旋电磁波的天线上部，来提高天线的增益特性。