CN215266685U - 一种宽带双极化多波束轨道角动量天线及通信设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种宽带双极化多波束轨道角动量天线及通信设备，包括，馈源、介质基板、金属地板及超表面结构，所述金属地板设置在介质基板的下方，所述超表面结构设置在介质基板的上表面，馈源设置在超表面结构的正上方，所述超表面结构包括N个呈周期性阵列排布的辐射单元，所述辐射单元包括L型贴片及寄生贴片，N个辐射单元的L型贴片及寄生贴片的尺寸不同。本实用新型提供的平面反射型轨道角动量天线，具有宽带、双极化、高增益、多波束的特点，同时本实用新型所使用的方法，可用于产生任意模式、任意波束个数、任意波束方向的涡旋波。
Description
技术领域
本实用新型涉及通信领域，具体涉及一种宽带双极化多波束轨道角动量天线及通信设备。
背景技术
近年来，轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)由于其拥有无限个正交模式引起了学术界的关注，可有效缓解频谱资源紧张，并扩大通信容量及提升通信速率。自2007年起轨道角动量被引入微波频段，使轨道角动量被应用到实际成为了可能。轨道角动量以螺旋形式的等相位面存在于电磁波中，故被称为涡旋波，产生涡旋波的模式由一周所转的总相位与2π之比所确定，理论上模式数可为任意值。
产生涡旋波的核心步骤便是把传统的平面等相位面转化为螺旋型等相位面，到目前为止产生OAM的方法有很多，其中包括单个贴片、螺旋相位板、介质谐振器、均匀圆形阵列、人工电磁超表面。单个贴片产生的轨道角动量的波束存在增益小的缺点。螺旋介质板及介质谐振器存在加工困难的缺点。均匀圆形阵列存在着馈电网络复杂、天线损耗较大的缺点。人工电磁超表面通过使用喇叭以空馈的形式馈电，降低了设计的难度，并易获得较高的天线增益。
现阶段可形成的人工电磁超表面的涡旋波天线形式较为单一，以宽带涡旋波天线、双极化涡旋波天线、多波束涡旋波天线为主。很少有设计能够实现宽带、双极化、多波束、高增益一体化的多功能涡旋波。OAM的模式复用与极化复用结合对未来大容量通信有着很开阔的应用前景，因此对多功能涡旋波天线的设计是十分必要的。
实用新型内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本实用新型提供一种宽带双极化多波束轨道角动量天线及通信设备，本实用新型能够同时产生水平及垂直极化宽带高增益的涡旋波束。
本实用新型采用如下技术方案：
一种宽带双极化多波束轨道角动量天线，包括馈源、介质基板、金属地板及超表面结构，所述金属地板设置在介质基板的下方，所述超表面结构设置在介质基板的上表面，馈源设置在超表面结构的正上方，所述超表面结构包括N个呈周期性阵列排布的辐射单元，所述辐射单元包括L型贴片及寄生贴片，N个辐射单元的尺寸不同，即L型贴片及寄生贴片的尺寸均不同。
进一步，所述辐射单元包括四个L型贴片及四个寄生贴片，所述四个L型贴片关于介质基板中心点对称，四个寄生贴片设置在四个L型贴片的周围，具体包括两个垂直方向矩形贴片及两个水平方向矩形贴片。
进一步，所述馈源为喇叭天线、微带天线或阵列天线。
进一步，阵列排布的辐射单元构成圆形阵列或多边形阵列。
进一步，馈源的入射波极化方向为45°。
进一步，所述金属地板与介质基板之间间隔空气层。
进一步，所述L型贴片包括相互垂直的水平方向贴片及竖直方向贴片，水平方向贴片与竖直方向贴片尺寸不同。
进一步，四个L型贴片的尺寸相等。
进一步，所述辐射单元产生至少一个波束，相位表示为
其中，
表示为第k个波束的方向，
表示单元到整个超表面的位置矢量，介质基板的中心为原点时所述辐射单元的相对坐标，lk表示产生的第k个涡旋波的模态数。
一种通信设备，包括所述的一种宽带双极化多波束轨道角动量天线。
本实用新型的有益效果：
(1)本天线超表面结构可工作在宽带内，本实施例的涡旋波天线可工作在13-15.5GHz的宽带内；
(2)本天线馈源发出的球面波极化方向与X和Y轴均成45°，以激励两个极化方向的单元同时实现双极化波束，本天线可工作在两个极化方向上，本实施例的涡旋波天线工作在水平及垂直极化方向；
(3)本天线通过N个辐射单元尺寸不同，可实现携带轨道角动量的任意方向的多波束；
(4)本天线具有高增益(15GHz x极化方向可达19.3dBi、y极化方向可达18.8dBi)、高口径效率(15GHz口径效率可为11.54％)。
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的辐射单元尺寸示意图；
图3是本实用新型实施例1的辐射单元在水平极化方向相移曲线图；
图4是本实用新型实施例1的辐射单元在垂直极化方向相移曲线图；
图5是本实用新型实施例1的电磁超表面水平尺寸的相位补偿图；
图6是本实用新型实施例1的电磁超表面垂直尺寸的相位补偿图；
图7是本实用新型实施例1的天线在13GHz的远场方向图；
图8是本实用新型实施例1的天线在14GHz的远场方向图；
图9是本实用新型实施例1的天线在15GHz的远场方向图；
图10是本实用新型实施例1的天线在15.5GHz的远场方向图；
图11是本实用新型实施例1的天线工作在13GHz x极化方向的近场相位及幅度图；
图12是本实用新型实施例1的天线工作在14GHz x极化方向的近场相位及幅度图；
图13是本实用新型实施例1的天线工作在15GHz x极化方向的近场相位及幅度图；
图14是本实用新型实施例1的天线工作在15.5GHz x极化方向的近场相位及幅度图；
图15是本实用新型实施例1的天线工作在13GHz y极化方向的近场相位及幅度图；
图16是本实用新型实施例1的天线工作在14GHz y极化方向的近场相位及幅度图；
图17是本实用新型实施例1的天线工作在15GHz y极化方向的近场相位及幅度图；
图18是本实用新型实施例1的天线工作在15.5GHz y极化方向的近场相位及幅度图；
图19是本实用新型实施例2的电磁超表面水平尺寸的相位补偿图；
图20是本实用新型实施例2的电磁超表面垂直尺寸的相位补偿图；
图21是本实用新型实施例2的天线在13GHz的远场方向图；
图22是本实用新型实施例2的天线在14GHz的远场方向图；
图23是本实用新型实施例2的天线在15GHz的远场方向图；
图24是本实用新型实施例2的天线在15.5GHz的远场方向图；
图25是本实用新型实施例3的电磁超表面水平尺寸的相位补偿图；
图26是本实用新型实施例2的电磁超表面垂直尺寸的相位补偿图；
图27是本实用新型实施例2的天线在13GHz的远场方向图；
图28是本实用新型实施例2的天线在14GHz的远场方向图；
图29是本实用新型实施例2的天线在15GHz的远场方向图；
图30是本实用新型实施例2的天线在15.5GHz的远场方向图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。
实施例1
一种宽带双极化多波束轨道角动量天线，包括馈源1、介质基板2、金属地板3及超表面结构，馈源喇叭产生球面波5照射超表面结构，根据超表面结构相位补偿的不同，得到不同的反射电磁波6、7。所述反射电磁波即携带轨道角动量的涡旋波。
所述金属地板3设置在介质基板2的下方，金属地板与介质基板之间间隔空气层，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。所述超表面结构设置在介质基板的上表面，馈源设置在超表面结构的正上方，所述超表面结构包括N个呈周期性阵列排布的辐射单元4，其阵列可为矩形、圆形及多边形等结构。
所述辐射单元包括L型贴片及寄生贴片，N个辐射单元的L型贴片及寄生贴片尺寸几乎不相同，各个L型及寄生贴片的尺寸可调整，用来产生该位置所需的相移，由于单元结构的正交性使超表面对正交的两个极化同时产生电磁响应，能够将单个线极化的入射球面波转换为两个极化方向的涡旋波。
所述辐射单元采用不同的尺寸，使其在宽带上产生所需的相位。
本实施例中，所述的水平均为以介质基板中心点为原点，X轴方向为水平方向，Y轴方向为垂直方向。
具体地，所述辐射单元包括四个L型贴片及四个寄生贴片，具有宽带的特性。所述四个L型贴片关于介质基板中心点对称，L型贴片包括两条正交的水平贴片及垂直贴片，水平贴片与垂直贴片的尺寸不同，四个L型贴片的尺寸相等。所述四个L型贴片的交点靠近介质基板中心，四个L型贴片两两一组，位于介质基板水平中线的上方及下方。四个寄生贴片位于四个L型贴片的周围，四个寄生贴片包括两个水平方向矩形贴片及两个垂直方向矩形贴片。两个水平方向矩形贴片关于介质基板中心对称设置，两个垂直方向矩形贴片关于介质基板中心对称设置。
所述馈源发出的球面波的极化方向与x和y轴均成45°，以激励两个极化方向的单元同时实现双极化波束；如图2所示，图1中的辐射单元4分别改变Lx、Lm及Ly、Ln的尺寸，可独立实现对x极化及y极化的调控。
所述馈源1为喇叭天线或微带天线，本实施例使用喇叭天线。
所述辐射单元为L型及寄生贴片结构，可以根据具体情况选择其个数，本实施例L型及寄生贴片型结构均为四个，增加谐振提供带宽，并且可独立调控水平及竖直极化的相位。
本实施例采用的四个L型及四个寄生贴片的水平尺寸分别相等、垂直尺寸分别相等。
所述辐射单元的水平尺寸及竖直尺寸决定了水平极化及竖直极化的相位。
所述辐射单元的相位补偿公式为
其中，
表示为第k个波束的方向，
表示单元到整个超表面的位置矢量，介质基板的中心为原点时所述辐射单元的相对坐标，lk表示产生的第k个涡旋波的模态数。
如图2所示，本实施例选取的尺寸为：
所述介质基板2厚度为0.55mm，材料为F4B，介电常数为2.25；辐射单元的尺寸为P＝13mm,g＝0.2mm,Lm＝0.3×Lx+1.2(mm),Ln＝0.3×Ly+1.2(mm),W0＝0.6mm,W1＝1.4mm，D＝0.7mm，Lx＝3～10mm,Ly＝3～10mm。
参阅图3，在13-15.5GHz宽带范围内，入射波与x、y方向分别呈45°的极化方向，L型贴片结构x方向尺寸从3到10mm连续变化，可实现大于360°的相移覆盖范围，此时Ly为任意值时，以Lx为变量时的相移曲线几乎不变(取Ly＝4mm、6mm、8mm为例)，表面y方向尺寸变化对x方向尺寸变化几乎不影响。另外，反射系数曲线均接近于1，表明单元在x方向具有良好的反射特性。
参阅图4，在13-15.5GHz宽带范围内，入射波与x、y方向分别呈45°的极化方向，L型贴片结构y方向尺寸从3到10mm连续变化，可实现大于360°的相移覆盖范围，此时Lx为任意值时，以Lx为变量时的相移曲线几乎不变(取Lx＝4mm、6mm、8mm为例)，表面x方向尺寸变化对y方向尺寸变化几乎不影响。另外，反射系数曲线均接近于1，表明单元在y方向具有良好的反射特性。
如图1，本实施例中，介质基板2上表面采用了16×16个辐射单元4并进行周期性排列，可根据公式
其中，
计算出球面波到平面波需补偿的相位角、模式数所需的相位角、波束个数及辐射方向所需的相位角以对应每个辐射单元所提供的尺寸大小。
本实施例中x方向的长度如图5进行补偿，y方向的长度如图6进行补偿，得到本实施例的人工电磁超表面。
如图7、图8、图9及图10所示，对应的远场方向图分别为13GHz、14GHz、15GHz、15.5GHz，使用与x、y方向呈45°的极化方向的馈源喇叭照射超表面，可得到在13-15.5GHz的远场方向图。其中x极化及y极化波束的模式数及方向分别为：
如图11、图12、图13及图14所示，对应的x极化近场相位图分别13GHz、14GHz、15GHz、15.5GHz，由远场及近场图可知本天线可在x极化宽带范围产生模式为-1指定方向的涡旋波。如图15、图16、图17及图18所示，对应的y极化近场相位图分别13GHz、14GHz、15GHz、15.5GHz，由远场及近场图可知本天线可在y极化宽带范围产生模式为1指定方向的涡旋波。
由此可知，本实用新型的一种宽带双极化多波束轨道角动量天线，可同时工作在13-15.5GHz的宽带及两个极化方向上。同时，本天线可实现多波束、多模式、任意辐射方向的涡旋波。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于产生的波束个数不同，故对应的相位补偿也不同，本实施例在x极化方向及y极化方向均产生了两个波束，其中x极化方向的相位补偿按照图19进行补偿，y极化方向的相位补偿按照图20进行补偿，可得到本实施例的超表面天线。
如图21、图22、图23及图24，工作频率为13-15.5GHz，入射波与x、y方向分别呈45°的极化方向，得到13GHz、14GHz、15GHz、15.5GHz的远场方向图。其中，x极化方向及y极化方向的模式数及波束方向为：
实施例3
本实施例与实施例1的不同之处在于产生的波束个数不同，故对应的相位补偿也不同，本实施例在x极化方向及y极化方向均产生了四个波束，其中x极化方向的相位补偿按照图25进行补偿，y极化方向的相位补偿按照图26进行补偿，可得到本实施例的超表面天线。
如图27、图28、图29及图30，工作频率为13-15.5GHz，入射波与x、y方向分别呈45°的极化方向，得到13GHz、14GHz、15GHz、15.5GHz的远场方向图。其中，x极化方向及y极化方向的模式数及波束方向为：
实施例4
一种通信设备，包括如实施例1所述的宽带双极化多波束轨道角动量天线。
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种宽带双极化多波束轨道角动量天线，其特征在于，包括馈源、介质基板、金属地板及超表面结构，所述金属地板设置在介质基板的下方，所述超表面结构设置在介质基板的上表面，馈源设置在超表面结构的正上方，所述超表面结构包括N个呈周期性阵列排布的辐射单元，所述辐射单元包括L型贴片及寄生贴片，N个辐射单元的L型贴片及寄生贴片的尺寸均不同。
2.根据权利要求1所述的一种宽带双极化多波束轨道角动量天线，其特征在于，所述辐射单元包括四个L型贴片及四个寄生贴片，所述四个L型贴片关于介质基板中心点对称，四个寄生贴片设置在四个L型贴片的周围，具体包括两个垂直方向矩形贴片及两个水平方向矩形贴片。
3.根据权利要求1所述的一种宽带双极化多波束轨道角动量天线，其特征在于，所述馈源为喇叭天线、微带天线或阵列天线。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种宽带双极化多波束轨道角动量天线，其特征在于，阵列排布的辐射单元构成圆形阵列或多边形阵列。
5.根据权利要求1所述的一种宽带双极化多波束轨道角动量天线，其特征在于，馈源的入射波极化方向为45°。
6.根据权利要求1所述的一种宽带双极化多波束轨道角动量天线，其特征在于，所述金属地板与介质基板之间间隔空气层。
7.根据权利要求2所述的一种宽带双极化多波束轨道角动量天线，其特征在于，所述L型贴片包括相互垂直的水平方向贴片及竖直方向贴片，水平方向贴片与竖直方向贴片尺寸不同。
8.根据权利要求7所述的一种宽带双极化多波束轨道角动量天线，其特征在于，四个L型贴片的尺寸相等。
9.一种通信设备，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的一种宽带双极化多波束轨道角动量天线。
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