CN209282410U - 一种高口径效率多极化平面反射型轨道角动量天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种高口径效率多极化平面反射型轨道角动量天线。该天线包括馈源、超表面、介质基板、金属地板。所述馈源产生球面波照射超表面；所述超表面，由多个嵌套圆环辐射单元组成，通过调整其尺寸来产生所需的相移，同时，单元结构的对称性使超表面对入射波的极化不敏感，能够将任意极化的入射波转换为涡旋波；所述金属地板与超表面之间有空气层，既可以减小表面波的影响，又可以减小超表面的相移敏感度。本实用新型提供的平面反射型轨道角动量天线，具有平面化、易加工、极化多样性、增益高、口径效率高的特点，同时本实用新型所使用的方法，可用于产生更高模式的涡旋波。

Description

一种高口径效率多极化平面反射型轨道角动量天线

技术领域

本实用新型涉及微波天线领域，特别涉及一种高口径效率多极化平面反射型轨道角动量天线。

背景技术

近年来，移动互联网呈现出爆炸式发展趋势，为缓解频谱资源紧张与无线业务需求日益增长之间的矛盾，各种无线电技术应运而生。其中，轨道角动量(Orbital AngularMomentum，OAM)技术独辟蹊径，将传统平面波扭曲成涡旋电磁波，利用不同模态涡旋电磁波间的正交性同时传输多个模态信号，增大无线通信容量。理论上模态值可为任意实数，且不同模态的OAM波正交，所以不同模态的波束在同一频率下的传输容量为无穷大。因此，设计多模态数的轨道角动量天线得到广泛的关注。

现在大多数设计轨道角动量天线的方案有螺旋相位板型、圆形阵列、反射阵型天线等。螺旋相位板型轨道角动量天线存在对加工精度要求高、加工困难的缺点。圆形阵列需要复杂的馈电网络来满足所需的相位条件，导致天线的损耗严重，天线的增益较低。反射阵型轨道角动量天线采用空馈的方式，降低了损耗，可以获得较高的天线增益。但由于反射阵的辐射单元的自身性能限制，导致反射阵只适用于单一极化的入射波；馈源与反射阵面的匹配问题，以及OAM波固有的发散特性，往往又导致天线的口径效率低。

现阶段很少有设计能够实现高增益、高口径效率并且能够将任意极化入射波转换成较好纯度的OAM波束的天线。

实用新型内容

为克服现有技术存在的不足，本实用新型提供一种高口径效率多极化平面反射型轨道角动量天线，其能够将任意极化状态的入射波高效率地转换为高增益的涡旋波束。

本实用新型所采用的技术方案如下。

一种高口径效率多极化平面反射型轨道角动量天线，其包括馈源、超表面、介质基板、金属地板。所述馈源位于所述介质基板的上方一定距离处；所述超表面包括多个嵌套圆环辐射单元，辐射单元印制在所述介质基板的上表面，并周期性排布组成阵列，-能够将多种极化的入射波转化为涡旋波；所述金属地板位于所述介质基板的下方一定距离处。所述馈源产生球面波照射超表面；所述超表面的各个圆环辐射单元的尺寸能调整，用来产生该位置所需的相移，同时，单元结构的对称性使得超表面对入射波极化不敏感，能够将任意极化的入射波转换为涡旋波；所述金属地板与超表面之间的空气层，既可以减小表面波的影响，又可以减小超表面的相移敏感度。

进一步的，所述馈源可以选用横截面积小，低旁瓣、低后瓣的喇叭天线或微带天线等。

进一步的，所述辐射单元是嵌套设置的2个或者2个以上的圆环，可以达到360°的调相范围的情况下优选2个。

进一步的，所述辐射单元的形状是圆环形、方形等对称形状，所述辐射单元的尺寸能调整。

进一步的，所述辐射单元周期性地排列在所述介质基板的上表面，组成阵列结构，其阵列可为矩形、圆形、多边形阵列。

进一步的，所述辐射单元的相位与辐射单元在所述介质基板的上表面的位置相关，相位表示为(x_m,y_n)表示以介质基板的中心为坐标原点时所述辐射单元的相对坐标，l表示产生的涡旋波的模态数。

进一步的，所述辐射单元在不同位置上采用不同尺寸，使其在工作频率上产生该位置所需的相位。

进一步的，所述介质基板下表面与所述金属地板之间有一定距离，即有空气层间隔。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

1.该平面反射型轨道角动量天线可用于产生高模式数的OAM波，作为验证，本实用新型给出了l＝1,4两个模式的轨道角动量天线的实施例；

2.该天线使用较少的辐射单元数，产生了高增益的涡旋波，例如，l＝1的10×10单元的平面反射阵尺寸仅有4.83λ₀×4.83λ₀，增益达到16dB，口径效率14.38％；

3.本实用新型的辐射单元采用嵌套双圆环对称结构，通过调整圆环的半径来调节相位，辐射单元的相移曲线在较宽的频带内具有相似的特征，表明结构具有宽带特性；辐射单元的对称性使其特性不受馈源入射波极化变化的影响，可用于转换线极化、圆极化等任意极化的入射波；

4.所述平面反射型轨道角动量天线，克服了抛物面天线加工困难的缺点，同时具有高增益的优点，该天线具有平面化的结构，易于加工和装配。

附图说明

图1是本实用新型实施例1的三维视图；

图2是本实用新型实施例1的平面反射阵的俯视图；

图3是本实用新型实施例1的辐射单元的关于其外圆环半径R1相移曲线图；

图4是本实用新型实施例1的平面反射阵的相位分布图；

图5是本实用新型实施例1的原理图；

图6是本实用新型实施例1在5.8GHz的远场方向图；

图7是本实用新型实施例1在近场区的电场相位分布图；

图8是本实用新型实施例1在φ＝0°切面上的二维远场方向图；

图9是本实用新型实施例1在φ＝90°切面上的二维远场方向图；

图10是本实用新型实施例2的平面反射阵的俯视图；

图11是本实用新型实施例2的平面反射阵的相位分布图；

图12是本实用新型实施例2的在5.8GHz的远场方向图；

图13是本实用新型实施例2的在近场区的电场相位分布图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的实施作进一步的说明，但本实用新型的是实施和保护不限于此。

实施例1：参阅图1-图2，本实用新型的一种高口径效率多极化平面反射型轨道角动量天线包括馈源、相位可调的辐射单元4、支撑辐射单元的介质基板3、与超表面具有5mm空气层间隔的金属地板5，所述超表面由多个嵌套圆环辐射单元组成，辐射单元印制在所述介质基板的上表面，所述馈源采用线极化喇叭天线即馈源喇叭2。辐射单元4、介质基板3与金属地板5组成平面反射阵，馈源喇叭2距离平面反射阵414mm的高度照射超表面，在馈源喇叭2的上方形成涡旋波束1。本实施例中介质基板3的材料选用介电常数是2.25的F4BK225，长宽均为25cm，高度是0.5mm。介质基板上的辐射单元采用嵌套的双圆环结构，外环的外半径设为R₁，外环的内半径为0.85×R₁，内环外半径为0.6×R₁，内环内半径为0.45×R₁。参阅图3，R1在0.1～12.5mm之间变化，所对应的相移范围大于360°，满足辐射单元的设计要求；辐射单元在5.4～6.2GHz的相移曲线趋势相同，表明所述单元具有宽带特性。参阅图4，平面反射阵中的辐射单元相位分布按其所示，每个辐射单元所占面积长宽均为25mm，组成10×10阵列；辐射单元的半径根据其所在介质基板的位置所需的相位确定。参阅图2，为减小天线阵边缘效应的影响，去掉拐角处的辐射单元。参阅图5，本实用新型的平面反射型轨道角动量天线以阵列中心为坐标原点，产生涡旋波束的原理可用公式解释为其中l表示涡旋波的模式数，本实施例中l＝1，(x_m,y_n)表示辐射单元中心位置坐标，k表示波数，H_mn表示馈源喇叭2的相位中心到辐射单元的距离；超表面上各个辐射单元补偿的相位和馈源喇叭2产生的球面波在超表面上具有的相位，通过电磁波在空间的叠加，产生模式数l＝1的OAM波束的相位

参阅图6，本实施例在5.8GHz实现轨道角动量天线的远场辐射特性。由于OAM波束具有在中心点存在相位奇点的特性，使得在中心区域出现能量零点；从远场方向图可观察到，波束的中心能量最低，边缘形成能量最高的环状区域，这和OAM波的特征相吻合。参阅图7，本实施例在5.8GHz实现轨道角动量天线的相位分布图。选取的观察面距离馈源喇叭2高度为400mm，可以看出相位螺旋变化分布清晰，旋转方向为顺时针，在一周期内相位变化量为2π，所以此时OAM的模式数为l＝1。本实施例在中心频率处仿真增益达到16dB，平面反射阵的尺寸为4.83λ₀，其中λ₀为中心频率对应的波长，所以平面反射型轨道角动量的口径效率为14.38％。

所述馈源换用右旋圆极化喇叭时，参阅图8和图9，轨道角动量天线的二维远场辐射方向图。在方位角θ＝0°的辐射方向上，天线的增益最低，即中心区域有能量最低点，这和OAM的波束特征吻合。在相位角φ＝0°和φ＝90°的两个主剖面上，主瓣的右旋圆极化PHCP的增益均比左旋圆极化LHCP的增益大20dB以上，展现出良好的圆极化性能。此时天线的相位分布和线极化时类似图7。由此可见，该超表面对入射波极化不敏感，能够将不同极化的入射波转化为OAM波。无论是线极化馈源，还是圆极化馈源照射超表面，都能产生涡旋波。

实施例2：本实用新型的天线结构、介质材料等与实施例1相同，参阅图10，不同之处在于辐射单元所需补偿的相位不同。参阅图10-图11，平面反射阵所需补偿的相位从0°到360°循环了四个周期，辐射单元的半径尺寸大小依照需要补偿的相位而定。

本实施例中涡旋波的模式数l＝4，参阅图12，轨道角动量天线的远场辐射特性，可观察到波束的中心能量最低，边缘能量最高，呈现四个能量峰值，且随着模式数的增大，OAM波束呈发散分布。参阅图13，本实施例在5.8GHz实现轨道角动量天线的相位分布图。选取的观察面距离馈源喇叭2高度为155.2mm，可清晰看出，相位分布图中出现了四个螺旋形状，在方位角从0°到360°的周期内，代表相位变化的颜色有四次完整的周期变化过程，说明电场的相位变化了1440°，所以此时的OAM波束的模式数为l＝4。

以上实施例仅为本实用新型的两种设计方式，仅用以说明本实用新型而并非限制本实用新型所描述的技术方案，凡在本实用新型的精神和原理范围之内，所作的任何修改、等同替换、简化、改进等，均应包含在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种高口径效率多极化平面反射型轨道角动量天线，其特征在于，包括馈源、超表面、介质基板和金属地板；所述馈源位于所述介质基板的上方；所述超表面包括若干个嵌套圆环辐射单元，辐射单元印制在所述介质基板的上表面，并周期性排布组成阵列，所述金属地板位于所述介质基板的下方；所述馈源产生球面波照射超表面。

2.根据权利要求1所述的一种高口径效率多极化平面反射型轨道角动量天线，其特征在于，所述馈源为喇叭天线或微带天线。

3.根据权利要求1所述的一种高口径效率多极化平面反射型轨道角动量天线，其特征在于，所述辐射单元是嵌套设置的2个或者2个以上的圆环。

4.根据权利要求1所述的一种高口径效率多极化平面反射型轨道角动量天线，其特征在于，所述辐射单元的形状是圆环形或方形的对称形状，所述辐射单元尺寸能调整。

5.根据权利要求1所述的一种高口径效率多极化平面反射型轨道角动量天线，其特征在于，所述辐射单元周期性地排列在所述介质基板的上表面，组成阵列结构，其阵列为矩形、圆形或多边形阵列。

6.根据权利要求1所述的一种高口径效率多极化平面反射型轨道角动量天线，其特征在于，所述辐射单元在不同位置上采用不同尺寸，使其在工作频率上产生该位置所需的相位。

7.根据权利要求1所述的一种高口径效率多极化平面反射型轨道角动量天线，其特征在于，所述介质基板下表面与所述金属地板之间有空气层间隔。