CN104617384B - 一种产生涡旋电波的贴片天线 - Google Patents

Abstract

一种产生涡旋电波的贴片天线，属于天线技术领域，解决现有利用阵列天线产生涡旋信号空间占地大、摆放不方便的问题。本发明包括介质基板、辐射面和接地面，所述介质基板为形状是圆形或正N边形的绝缘介质基板，其正面粘贴有辐射面，介质基板背面粘贴有接地面，介质基板、辐射面和接地面三者的中心重合，沿所述辐射面边缘具有N个均匀分布的馈电端口，N≥4。本发明采用半径为厘米级的贴片产生多个不同拓扑荷的涡旋电波，结构简单、体积小、易于维护、便于工业化批量生产，有利于涡旋通信系统的小型化和微型化。

Description

一种产生涡旋电波的贴片天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种产生涡旋电波的贴片天线。

背景技术

随着无线通信数据业务的不断增长，容量需求不断提高，而频带资源却有限。引入轨道角动量，理论上可以突破容量瓶颈，对于提高无线通信容量有重要意义。轨道角动量是电磁波的一个物理属性，它反映电磁波围绕传播方向中心轴线上的方位角方向的相位变化。将轨道角动量应用于通信领域中，则在传统的信号中引入新的自由度，对于某个频率的电磁波，理论上可扩展为无穷多个频率相同但携带不同轨道角动量的涡旋电波，这些涡旋电波具有不同的本征模式，本征模式的特征值在学术界的称呼不一，常见的称呼是拓扑荷。由于拓扑荷的取值具有无限的取值范围，理论上涡旋电波可以无限提升通信容量。2007年，Thidé等通过仿真演示了低频段的电磁波携带轨道角动量，可以通过阵列天线来实现，见Bo Thidéet al.,“Utilization of photon orbitalangular momentum in the low-frequency radio domain,”Phys.Rev.Lett.,vol.99,no.8,Aug.2007,pp.087701-1-087701-4。该研究从仿真角度给出了产生涡旋电波的可行性，但并没有设计具体的天线。

2012年，Fabrizio等首次在真实场景中利用改造的抛物面天线产生拓扑荷为1的涡旋电波，实验证明利用涡旋电波在不增加频段的情况下可提高通信容量。见F.Tamburiniet al.,“Encoding many channels on the same frequency throughradio vorticity:First experimental test,”NewJ.Phys.,vol.14,no.3,Mar.2012,pp.033001-1-033001-17。

目前，通常都是利用阵列天线产生涡旋信号，阵列天线由多个天线元构成，各天线元绕z轴对称均匀排列，再通过给每根天线元输入同幅度，同频率相位不同的激励电压或电流，假设第一个端口初始相位为0，其它端口相位依次递增或递减2πm/N，其中m为拓扑荷，N为端口总数，可产生拓扑荷为m的涡旋电波，但是天线阵列需要仔细均匀的摆放而且需要维护天线的摆放位置，使用起来很不方便，而且空间占地大，不利于推广使用。

发明内容

本发明提供一种产生涡旋电波的贴片天线，解决现有利用阵列天线产生涡旋信号空间占地大、摆放不方便的问题。

本发明所提供的一种产生涡旋电波的贴片天线，包括介质基板、辐射面和接地面，其特征在于：

所述介质基板为形状是圆形或正N边形的绝缘介质基板，其正面粘贴有辐射面，介质基板背面粘贴有接地面，所述辐射面为形状是圆形或正N边形的金属板，所述接地面亦为形状是圆形或正N边形的金属板，介质基板、辐射面和接地面三者的中心重合，所述辐射面的半径为r₁，所述接地面的半径为r₂， $r_1=r{[1+\frac{2h}{\mathrm{\πr\ϵ}}(\ln \frac{\mathrm{\πr}}{2h}+1.7726)]}^{1/2},$ 其中 $r=1.841c/\left(2\mathrm{\πf}\sqrt{\mathrm{\ϵ}}\right),$ c为光速，ε是介质基板的介电常数，h为介质基板的厚度，单位mm，f为天线的工作频率；r₂＝r₁+λ/4，其中λ为工作波长；

沿所述辐射面边缘具有N个均匀分布的馈电端口，N≥4。

所述馈电端口可以由同轴电缆构成，同轴电缆的内导体与所述辐射面完全接触，同轴电缆的外导体与所述接地面接触；

所述介质基板可以采用FR4介质基板。

FR4(Flame Retardant Type 4)介质基板是由玻璃纤维和环氧树脂的复合材料所构成的基板，具有难燃性，是印刷电路板领域使用最广的材料。

本发明工作时，通过给贴片天线的N个馈电端口分别加幅度相同、频率相同、相位差依次为2πm/N的激励电流或激励电压，可以产生拓扑荷为m的涡旋电波，实现拓扑荷为m的涡旋电波的发射，涡旋电波相位呈现圆周顺时针或者逆时针方向。其中拓扑荷m和馈电端口数目N满足：-N/2<m<N/2，m的正负决定了相位差是正数还是负数，同时决定涡旋电波是呈现顺时针还是逆时针方向，只需增加馈电端口的数目就可以增加涡旋电波的拓扑荷数值m，从而发射较大的拓扑荷值的涡旋电波。

与现有产生涡旋电波的天线阵列相比，本发明采用半径为厘米级的贴片产生多个不同拓扑荷的涡旋电波，结构简单、体积小、易于维护、便于工业化批量生产，有利于涡旋通信系统的小型化和微型化。

附图说明

图1(A)为本发明实施例1的侧视图；

图1(B)为图1(A)的俯视图；

图1(C)为图1(A)的仰视图；

图1(D)为垂直于实施例1所示天线传播方向上的某一平面电场；

图2(A)为本发明施例2的侧视图；

图2(B)为图2(A)的俯视图；

图2(C)为图2(A)的仰视图；

图2(D)为垂直于实施例2所示天线传播方向上的某一平面电场；

图3(A)为本发明实施例3的侧视图；

图3(B)为图3(A)的俯视图；

图3(C)为图3(A)的仰视图；

图3(D)为垂直于实施例3所示天线传播方向上的某一平面电场。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明进一步说明。

如图1(A)、图1(B)、图1(C)所示，本发明的实施例1，包括介质基板10、辐射面20和接地面30；

所述介质基板10为形状是圆形的绝缘介质基板，其正面粘贴有辐射面20，介质基板10背面粘贴有接地面30，所述辐射面20为形状是圆形的金属板，所述接地面30亦为形状是圆形的金属板，介质基板10、辐射面20和接地面30三者的中心重合，所述辐射面20的半径r₁为16mm，所述接地面30的半径r₂为39.8mm， $r_1=r{[1+\frac{2h}{\mathrm{\&pi;r\&epsiv;}}(\ln \frac{\mathrm{\&pi;r}}{2h}+1.7726)]}^{1/2},$ 其中 $r=1.841c/\left(2\mathrm{\&pi;f}\sqrt{\mathrm{\&epsiv;}}\right),$ c为光速，ε是介质基板的介电常数，h为介质基板的厚度，单位mm，f为天线的工作频率；r₂＝r₁+λ/4，其中λ为工作波长；

沿所述辐射面20边缘具有8个均匀分布的馈电端口21，所述馈电端口21由同轴电缆构成，同轴电缆的内导体21A与所述辐射面20完全接触，同轴电缆的外导体21B与所述接地面30接触；

所述介质基板10采用FR4介质基板，介质基板的厚度h为1.6mm。

图1(D)为本实施例的垂直于天线传播方向上的某一平面电场。

如图2(A)、图2(B)、图2(C)所示，本发明的实施例2，包括介质基板10、辐射面20和接地面30；和实施例1的区别仅在于：所述辐射面20为形状是正8边形的金属板。图2(D)为本实施例的垂直于天线传播方向上的某一平面电场。

如图3(A)、图3(B)、图3(C)所示，本发明的实施例3，包括介质基板10、辐射面20和接地面30；和实施例1的区别在于：所述介质基板10为形状是正8边形的绝缘介质基板，所述辐射面20为形状是正8边形的金属板，所述接地面30亦为形状是正8边形的金属板。图3(D)为本实施例的垂直于天线传播方向上的某一平面电场。

上述三个实施例中，接地面30和介质基板10的形状、大小均相同，在实际制造时，接地面30和介质基板10的形状、大小不必相同，如介质基板10形状为圆形、而接地面30为正N边形，或介质基板10形状为正N边形、而接地面30为圆形，不会影响工作效果。

Claims (2)

1.一种产生涡旋电波的贴片天线，包括介质基板(10)、辐射面(20)和接地面(30)，其特征在于：

所述介质基板(10)为形状是圆形或正N边形的绝缘介质基板，其正面粘贴有辐射面(20)，介质基板(10)背面粘贴有接地面(30)，所述辐射面(20)为形状是圆形或正N边形的金属板，所述接地面(30)亦为形状是圆形或正N边形的金属板，介质基板(10)、辐射面(20)和接地面(30)三者的中心重合，所述辐射面(20)的半径为r₁，所述接地面(30)的半径为r₂， $r_1=r{\&lsqb;1+\frac{2h}{\mathrm{\&pi;}r\mathrm{\&epsiv;}}(ln\frac{\mathrm{\&pi;}r}{2h}+1.7726)\&rsqb;}^{1/2},$ 其中 $r=1.841c/\left(2\mathrm{\&pi;}f\sqrt{\mathrm{\&epsiv;}}\right),$ c为光速，ε是介质基板的介电常数，h为介质基板的厚度，单位mm，f为天线的工作频率；r₂＝r₁+λ/4，其中λ为工作波长；

沿所述辐射面(20)边缘具有N个均匀分布的馈电端口(21)，N≥4。

2.如权利要求1所述的贴片天线，其特征在于：

所述馈电端口(21)由同轴电缆构成，同轴电缆的内导体(21A)与所述辐射面(20)完全接触，同轴电缆的外导体(21B)与所述接地面(30)接触。