CN108736154A - 一种圆极化轨道角动量天线 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种圆极化轨道角动量天线，用于提高天线的抗干扰能力，包括N个天线单元，N≥3，该天线单元包括介质材料板，以及印制在介质材料板一个侧面的辐射贴片和另一个侧面的辐射地板，其中辐射贴片的形状为任意对角上带有切角的正方形，其与辐射地板通过同轴线连接；所述N个天线单元排列成空心柱状结构，且各天线单元印制有辐射贴片的一侧位于空心柱状结构的外侧，形成共形阵列，各天线单元的激励信号幅度相等，相邻天线单元具有连续的相位延迟其中l代表携带轨道角动量的模式数，满足‑N/2＜l＜N/2。本发明能够产生多种模态的具有圆极化和轨道角动量双重特性的涡旋电磁波，有效提高了天线的抗干扰能力。

Description

一种圆极化轨道角动量天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种圆极化轨道角动量天线，可用于无线通信技术领域。

背景技术

根据经典电动力学理论，电磁辐射不仅能够携带能量还可携带角动量，描述极化状态的自旋角动量SAM与描述螺旋相位结构的轨道角动量OAM，共同组成了角动量，携带轨道角动量的电磁波称为涡旋电磁波。OAM复用是一种频率公用方式的共享频谱资源技术，在相同载频上，调制不同的轨道角动量和传输信息，大大提高频谱利用效率，可以解决无线通信领域频谱资源短缺的问题。

由于天线应用的环境复杂，传统的线极化天线有时无法满足通讯的要求，与之相比，圆极化天线可以接收任意极化方向的线极化波，同时它发射的信号也可以由任意极化方向的线极化天线接收，并且具有旋向正交性。在OAM复用技术的基础上进一步研究电磁波的圆极化特性，可以有效提高系统抗干扰能力，能更好的解决由于不同发射和接收天线角度不同带来的能量损耗，最大限度的增加频谱资源利用率。

目前，结合轨道角动量在相关领域中的研究进展，轨道角动量涡旋电磁波的产生与发射方式主要有两种，分别是螺旋抛物面天线和阵列天线，前者通过调整抛物面开口两端的间距产生任意模式的轨道角动量无线电波束；后者通过控制阵元辐射场的相位差产生想要的轨道角动量涡旋电磁波。然而，轨道角动量螺旋抛物面天线造价高，制作困难，不适用于连续相位控制；阵列天线中一般偶极子天线阵列半径高达几米到几十米，在进行阵列布置时祈要极小的误差才能产生预期的模态值，适用场所条件要求较为苛刻，在实际通信系统中应用价值并不高，而微带天线阵列由于其平面结构，剖物面低，小尺寸，并且馈电方式简单，方便控制输入相位，在轨道角动量天线中应用有重要意义。

实现圆极化波的关键是产生两个方向正交、幅度相等、相位相差90°的线极化波。微带天线中存在何种模式完全取决于贴片的形状和激励模型，在对角线上单点馈电的正方形贴片、正方形对角切角贴片、四周切有缝隙的方向贴片，以及相互正交的两个偶极子均可产生圆极化辐射波束，然而对如何将圆极化辐射贴片作为轨道角动量天线的辐射贴片，产生性能良好的圆极化涡旋电磁波缺乏相应研究。

传统的轨道角动量天线，是由多个辐射贴片组成的圆环阵列，通过给每个辐射贴片输入幅度相等的激励信号，且相邻辐射贴片具有连续的相位延迟从而产携带轨道角动量的涡旋电磁波。例如申请公布号为CN 107134659A，名称为“基于多层介质板的高增益轨道角动量阵列”的专利申请，公开了一种基于多层介质板的高增益轨道角动量阵列，在介质材料板上方设置有由沿Z轴一维排布的P个辐射贴片，p为大于2的正整数，且各个辐射贴片之间的间距相等，天线阵元通过馈电金属柱与金属地板上的输入端口相连。该发明通过控制输入相位实现了多种模态的轨道角动量涡旋电磁波之间的切换，但是由于辐射贴片的结构简单，仅能实现线极化的轨道角动量涡旋电磁波，抗干扰能力低。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种圆极化轨道角动量天线，用于产生具有圆极化和轨道角动量双重特性的涡旋电磁波，提高天线的抗干扰能力。

一种圆极化轨道角动量天线，包括N个天线单元1，N≥3，所述天线单元1包括介质材料板12，以及印制在介质材料板12一个侧面的辐射贴片11和另一个侧面的辐射地板14，所述辐射贴片11的形状为任意对角上带有切角的正方形，其与辐射地板14通过同轴线13连接；所述N个天线单元1排列成空心柱状结构，且各天线单元1印制有辐射贴片11的一侧位于空心柱状结构的外侧，形成共形阵列，各天线单元1的激励信号幅度相等，相邻天线单元1具有连续的相位延迟其中l代表携带轨道角动量的模式数，满足-N/2＜l＜N/2。

上述一种圆极化轨道角动量天线，所述介质材料板12，采用偏离中心位置设置有同轴线13过孔的正方形板材，该介质材料板12的几何中心与辐射贴片11的几何中心共轴。

上述一种圆极化轨道角动量天线，所述辐射贴片11，其切去的切角为等腰直角三角形，该辐射贴片11的中心位置蚀刻有U型缝隙111，且该U型缝隙111的开口面向介质材料板12上所设置的过孔一侧。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明采用由多个天线单元排列成的空心柱状结构，且各天线单元印制有辐射贴片的一侧位于空心柱状结构的外侧，形成共形阵列，其中辐射贴片采用正方形结构，并在任意对角位置设置切角，通过给各天线单元输入幅度相等，且相邻天线单元具有连续的相位延迟的激励信号，产生了具有良好性能的圆极化和轨道角动量双重特性的涡旋电磁波，最大限度的提高了频谱资源利用率和系统容量，有效提高了天线的抗干扰能力。

2.本发明通过在辐射贴片的中心位置添加U型缝隙，且该U型缝隙开口面向介质材料板上所设置的过孔一侧，从而改变辐射贴片表面电流的传导路径，增加多个谐振点，有效扩宽了天线的阻抗带宽和轴比带宽。

附图说明

图1是本发明实施例1的整体结构示意图；

图2是本发明的天线单元的结构示意图图；

图3是本发明的辐射贴片结构示意图；

图4是本发明实施例1的S11仿真结果图；

图5是本发明实施例1的轴比仿真结果图；

图6是本发明实施例1的辐射方向图；

图7是本发明实施例1的电场相位分布图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述：

实施例1

参考图1，本发明提出的一种圆极化轨道角动量天线，包括八个天线单元1，该天线单元1包括介质材料板12，以及印制在介质材料板12一个侧面的辐射贴片11和另一个侧面的辐射地板14，其中辐射贴片11和辐射地板14通过同轴线13连接。该天线单元1排列成的空心柱状结构，且各天线单元1印制有辐射贴片11的一侧位于空心柱状结构的外侧，形成共形阵列，该结构可以有效抑制单元之间的互耦，保持天线单元1的特性，提升天线性能。

参考图2，辐射贴片11的几何中心与介质材料板12的几何中心共轴，且介质材料板12采用偏离中心位置设置有同轴线13过孔的正方形板材，选择介电常数为10.2的介质材料板，整体尺寸为80mm×80mm×9mm，且辐射地板14与介质材料板12同尺寸，同轴线13偏离距离为20mm，其半径为0.5mm。根据微带天线公式可知，微带天线的谐振频率f₀与ε_r-^1/2成正比，因此对于一个固定的频率，采用高介电常数的介质基片可以有效的降低天线的尺寸。

参考图3，辐射贴片11为正方形结构，其边长为60mm，为了激励起两个正交极化，幅度相等且相位相差90°的电磁波，在辐射贴片11的左上角和右下角分别切去两个等腰直角三角形，且三角形的直角边边长为7.2mm，并通过调节同轴线13的位置，产生性能良好的圆极化辐射波束。在辐射贴片11上添加U型缝隙111，该U型缝隙111的长边e＝11mm，短边c＝6.5mm，宽度w1＝1mm，其开口面向介质材料板上所设置的过孔一侧，该U型缝隙111可以改变电流的传导路径，增加多个谐振点，有效扩宽了天线的阻抗带宽和轴比带宽。

产生携带轨道角动量的涡旋电磁波的必要条件，需要给各天线单元1输入幅度相等的激励信号，且相邻天线单元1具有连续的相位延迟从而在正常的电磁波中添加一个相位旋转因子其中l代表携带轨道角动量的模式数，满足-N/2＜l＜N/2，N代表天线单元1的数量，天线单元1的数目决定了能产生轨道角动量模态的的最大值。

本发明的天线单元1的数目N＝8，且模式数l＝1，根据产生携带轨道角动量的涡旋电磁波的必要条件，可以得出相邻单元的相位延迟假设有第一个天线单元1的初始相位φ＝0，则各个单元依次输入相位为0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°的激励信号，且幅度相等，由于带切角的辐射贴片11以及采用共形阵列的形式，有效避免的单元之间的耦合，保持天线单元1的圆极化特性，可以产生轨道角动量模式数为1的圆极化涡旋电磁波，由于相位旋转因子的存在，此时的电磁波不再是平面结构，而是绕着传播方向旋转，呈现一种螺旋的电场相位分布，且涡旋电磁波本身的发散特性，轨道角动量模式数l＝1的电磁波不再是全向的辐射方向图，而是存在一定的中空现象。

实施例2中天线的结构与实施例1的结构相同，如下参数作了调整：

天线单元1的数目为N＝4，将模式数设为l＝1/2，根据产生携带轨道角动量的涡旋电磁波的必要条件，可以得出相邻单元的相位延迟为假设有第一个天线单元1的初始相位φ＝0，则各个单元依次输入相位为0°、45°、90°、135°的激励信号，且幅度相等，产生轨道角动量模式数为2的圆极化涡旋电磁波。

本发明的效果可结合仿真结果作进一步说明：

1、仿真内容

1.1利用商业仿真软件HFSS_13.0对上述实施例1的S11参数进行仿真计算，结果如图4所示。

1.2利用商业仿真软件HFSS_13.0对上述实施例1的轴比参数进行仿真计算，结果如图5所示。

1.3利用商业仿真软件HFSS_13.0对上述实施例1的辐射方向图进行仿真计算，结果如图6所示。

1.4利用商业仿真软件HFSS_13.0对上述实施例1的电场相位分布进行仿真计算，结果如图7所示。

2、仿真结果

参照图4，以S11<-10dB为标准，实施例1中天线的阻抗带宽为1.46GHz～1.65GHz，相对带宽为12％。

参照图5，以轴比AR<3为标准，实施例1中天线的轴比带宽为1.46GHz～1.65GHz，在阻抗带宽内满足圆极化要求。

参照图6，实施例1中天线的最大辐射方向始终垂直于辐射单元表面，并且有一定的中空现象，最大增益为3.1dB。

参照图7，实施例1中天线的电场相位呈螺旋状分布。

以上仿真结果说明，本发明天线具有理想的阻抗带宽和轴比带宽，并满足轨道角动量天线的要求。

Claims (3)

1.一种圆极化轨道角动量天线，其特征在于，包括N个天线单元(1)，N≥3，所述天线单元(1)包括介质材料板(12)，以及印制在介质材料板(12)一个侧面的辐射贴片(11)和另一个侧面的辐射地板(14)，所述辐射贴片(11)的形状为任意对角上带有切角的正方形，其与辐射地板(14)通过同轴线(13)连接；所述N个天线单元(1)排列成空心柱状结构，且各天线单元(1)印制有辐射贴片(11)的一侧位于空心柱状结构的外侧，形成共形阵列，各天线单元(1)的激励信号幅度相等，相邻天线单元(1)具有连续的相位延迟其中l代表携带轨道角动量的模式数，满足-N/2＜l＜N/2。

2.根据权利要求1所述的一种圆极化轨道角动量天线，其特征在于，所述介质材料板(12)，采用偏离中心位置设置有同轴线(13)过孔的正方形板材，该介质材料板(12)的几何中心与辐射贴片(11)的几何中心共轴。

3.根据权利要求2所述的一种圆极化轨道角动量天线，其特征在于，所述辐射贴片(11)，其切去的切角为等腰直角三角形，该辐射贴片(11)的中心位置蚀刻有U型缝隙(111)，且该U型缝隙(111)的开口面向介质材料板(12)上所设置的过孔一侧。