CN113782988A - 用于产生多模态oam波束的紧凑型顺序旋转同心均匀圆阵列 - Google Patents
用于产生多模态oam波束的紧凑型顺序旋转同心均匀圆阵列 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于产生多模态OAM波束的紧凑型顺序旋转同心均匀圆阵列，单个均匀圆阵列采用等腰直角三角形圆极化贴片单元以顺序旋转的方式均匀排列，在结构上提供连续的相位差来产生OAM波束可省略馈电网络中移相器，采用CUCAs在阵列结构紧凑的条件下可以同时产生多种模式的OAM波。本发明所提出的带切角的等腰直角三角形圆极化单元使阵列结构更加紧凑；本发明可用于无线通信来提高频谱效率或用于雷达成像来实现高分辨率的方位角成像。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种用于产生多模态OAM波束的紧凑型顺序旋转同心均匀圆阵列。
背景技术
随着无线通信的快速发展，爆炸式的容量需求给传统的无线通信资源带来了挑战。而携带OAM的电磁波，具有无限多个相互正交的拓扑荷，可作为一种新的自由度来提高无线通信频谱效率。除了在无线通信中的应用，多模态的OAM天线应用于雷达成像可在雷达与目标之间无相对运动的情况下实现方位角成像。此外，OAM还可用于医疗成像以及旋转目标检测等。
而目前关于OAM的应用领域中绝大多数要求实现多模态的OAM波辐射，所以实现其应用价值的前提是OAM波束的产生。目前有几种典型的方法，如螺旋相位板(SPP)，圆形行波天线，超表面和UCA均可有效地产生OAM波束。其中UCA是一种较为普遍的OAM天线，通常对阵列单元的连续相位馈电可以很容易产生各种模式的OAM波，但单元间的相移通常需要复杂的馈电网络来实现，并且产生高模态的OAM波束需要更多的天线单元，从而导致较大的天线尺寸。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于产生多模态OAM波束的紧凑型顺序旋转同心均匀圆阵列，以更加紧凑和简单的天线结构同时产生多种模式的OAM波。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种用于产生多模态OAM波束的紧凑型顺序旋转同心均匀圆阵列，单个均匀圆阵列采用等腰直角三角形圆极化贴片单元以顺序旋转的方式均匀排列，多个均匀圆阵列同心设置；所述带切角的等腰直角三角形圆极化贴片单元是指将等腰直角三角形贴片对称切去两个底角。
进一步的，所述带切角的等腰直角三角形微带贴片根据馈电位置分为：
将等腰直角三角形斜边水平放置，两直角边位于斜边上方，当馈电点位于左侧时，带切角的等腰直角三角形微带贴片为左圆极化单元，当馈电点位于右侧时，带切角的等腰直角三角形微带贴片为右圆极化单元。
进一步的，若要产生模式为l的OAM波，UCA的单元数N应满足N/2>|l|，当l>0时，可采用N个圆极化单元分别顺时针旋转0°，2πl/N°，4πl/N°，……，2πl(N-1)/N°，若单元为左圆极化单元，则依次逆时针排列成UCA，若单元为右圆极化单元，则依次按顺时针排列成UCA；这两种情况均能产生l>0模式的OAM波；
相反，按照上面的单元顺时针旋转角度，采用左圆极化单元依次顺时针排列成UCA或采用右圆极化单元依次逆时针排列成UCA，均可以产生l<0模式的OAM波。
进一步的，采用左圆极化单元的阵列产生的波束在中心频率附近为LHCP，采用右圆极化单元的阵列产生的波束在中心频率附近为RHCP。
进一步的，采用左圆极化单元的顺序旋转UCA来产生-1模式的OAM波，或用右圆极化单元的顺序旋转UCA来产生+1模式的OAM波。
进一步的，采用内圈四个LHCP单元与外圈八个LHCP单元按照顺序旋转排列成CUCAs，同时辐射-1，-2模式的OAM波。
进一步的，圆极化贴片单元印刷在介质基板上表面，内外圈UCA半径分别为0.3λ0和0.7λ0，λ0为频率为9.2GHz的自由空间波长，介质基板的下表面为接地板，天线采用同轴馈电。
与现有技术相比，本发明的显著优点为：(1)本发明基于圆极化单元以顺序旋转的方式排列成UCA来产生各种模式的OAM波并省去馈电网络中移相器的设计；(2)采用CUCAs结构来产生多个模式的OAM波使阵列具有紧凑性；(3)采用带切角的等腰直角三角形圆极化微带贴片单元，可使阵列更加紧凑。
附图说明
图1为LHCP单元及其产生-1模式OAM波顺序旋转UCA和RHCP单元及其产生+1模式OAM波顺序旋转UCA示意图。
图2为基于LHCP单元可同时辐射-1，-2模式OAM波的CUCAs主视图
图3为基于LHCP单元可同时辐射-1，-2模式OAM波的CUCAs侧视图。
图4为CUCAs辐射的-1，-2模式OAM波的S参数
图5为CUCAs辐射的-1，-2模式OAM波远场方向图
具体实施方式
为了简化UCA的馈电网络同时减小阵列尺寸来产生多个模式的轨道角动量(OAM)波束，本发明提出了一种紧凑型顺序旋转同心均匀圆阵列(CUCAs)。该CUCAs可用于同时辐射多种模式的OAM波束，且省略了馈电网络中移相器的设计，同时阵列具有紧凑的特点。
一种用于X波段产生多模态OAM波束的紧凑型顺序旋转同心均匀圆阵列，由多个均匀圆阵列同心设置，单个均匀圆阵列采用圆极化单元以顺序旋转的方式均匀排列，在结构上提供了连续相移，可以在馈电网络中无移相器的情况下实现各种模式的OAM波辐射；而CUCAs可同时辐射多种OAM模式，并使阵列具有紧凑性。
圆极化单元采用带切角的等腰直角三角形圆极化贴片，将等腰直角三角形贴片对称切去两个底角；
所述带切角的等腰直角三角形微带贴片根据馈电位置分为：
将等腰直角三角形斜边水平放置，两直角边位于斜边上方，当馈电点位于左侧时，带切角的等腰直角三角形微带贴片为左圆极化单元，当馈电点位于右侧时，带切角的等腰直角三角形微带贴片为右圆极化单元。
若要产生模式为l的OAM波，UCA的单元数N应满足N/2>|l|，当l>0时，可采用N个圆极化单元分别顺时针旋转0°，2πl/N°，4πl/N°，……，2πl(N-1)/N°，若单元为左圆极化(LHCP)，则依次逆时针排列成UCA，若单元为右圆极化(RHCP)，则依次按顺时针排列成UCA。这两种情况均能产生l>0模式的OAM波。相反，按照上面的单元顺时针旋转角度，采用LHCP单元依次顺时针排列成UCA或采用RHCP单元依次逆时针排列成UCA均可以产生l<0模式的OAM波。此外采用LHCP单元的阵列产生的波束在中心频率附近为LHCP，采用RHCP单元的阵列产生的波束在中心频率附近为RHCP。
本发明所提出的带切角的等腰直角三角形圆极化微带天线采用特征模解析(CMA)来进行优化。首先对等腰直角三角形微带贴片对称地切去两个锐角，通过调节切角的尺寸可使天线的两个正交主模式在中心频点的模式显著性(MS)相同，且特征角(CA)相差90°左右，通过找到合适的馈电位置可同时激励两个正交的特征模使该天线实现LHCP或RHCP辐射。该单元的结构特点使得采用LHCP单元的顺序旋转UCA产生-1模式的OAM波或采用RHCP单元的顺序旋转UCA产生+1模式的OAM波的阵列结构更加紧凑。
下面对本发明提供的用于产生多模态OAM波束的紧凑型顺序旋转CUCAs做详细说明：
首先，由于微带天线具有低剖面，低成本，宽带宽的特点，且广泛应用于微波频段，本发明提出了一种带切角的等腰直角三角形圆极化微带天线作为CUCAs的基本阵元。具体利用CST中的多层求解器实现该圆极化天线单元的特征模解析，单元的两个主特征模具有正交性，通过分析特征模的模态显著性(MS)与特征角(CA)的仿真结果来优化切角尺寸，最终可实现两个有效特征模的MS在单元的中心频率处重叠，且在该频点处两个特征模的特征角相差90°，通过合适的馈电位置可实现圆极化辐射。
其次，基于上述圆极化单元，我们采用四个LHCP单元的顺序旋转UCA来产生-1模式的OAM波，或采用四个RHCP单元的顺序旋转UCA来产生+1模式的OAM波，可使阵列具有紧凑的结构。
最后，根据前面所述，单元数越多可产生的OAM模态值越高，我们可将产生低阶模态OAM波的UCA置于天线中央，比如产生-1模式的LHCP四单元UCA或产生+1模式的RHCP四单元UCA，然后以更多的单元在外圈以顺序旋转的方式排列成产生高阶模式的UCA，于是，在阵元间的耦合度满足要求时，多个CUCAs利用同一个天线孔径可以以紧凑的阵列结构在同一频段同时辐射多个模式的OAM波，由于不同的模式之间相互正交，该天线可用于无线通信来提高频谱效率或用于雷达成像在目标与雷达之间无相对运动的情况下实现方位角成像等。
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例
由图1所示，图1(a)，图1(c)分别为LHCP和RHCP天线单元，采用四个相同的LHCP单元或RHCP单元分别顺时针旋转0°，90°，180°和270°，并以顺时针方向排列成UCA，如图1(b)，图1(d)可分别产生-1和+1模式的OAM波，同时阵列具有紧凑性。
由图2、3所示，采用内圈四个LHCP单元与外圈八个LHCP单元按照顺序旋转排列成CUCAs可同时辐射-1，-2模式的OAM波。其中辐射单元1印刷在厚度为2mm的Rogers RT5880介质基板2的上表面，介质基板2的介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，内外圈UCA半径分别为0.3λ0和0.7λ0，λ0为频率为9.2GHz的自由空间波长，介质基板2的下表面是厚度为2mm的接地板3，天线的整体尺寸为π40mm×40mm×4mm，采用同轴馈电4。
在图4中，Active1_S11为图2中CUCAs的内圈四单元同时馈电时其中一个单元的反射系数，Active2_S11为外圈八个单元同时馈电时其中一个单元的反射系数。从图中可以看出内圈单元的阻抗带宽较窄，这是由于阵元间存在一定的耦合，但整个阵列仍可以工作在较宽的阻抗带宽内，其-10dB阻抗带宽为11％(8.7-9.7GHz)。
图5为图2中CUCAs在9.2GHz处所产生的-1与-2模式OAM波的远场方向图，中心凹陷的远场方向图表明产生OAM的有效性。其中-1模式波束的主瓣增益为5.47dBi，-2模式波束的主瓣增益为8.24dBi，由于-2模式的阵列中具有更多的阵元数并具有更大的阵列半径，所以其波束的主瓣增益要高于-1模式。
Claims (7)
1.一种用于产生多模态OAM波束的紧凑型顺序旋转同心均匀圆阵列，其特征在于，单个均匀圆阵列采用等腰直角三角形圆极化贴片单元以顺序旋转的方式均匀排列，多个均匀圆阵列同心设置；所述带切角的等腰直角三角形圆极化贴片单元是指将等腰直角三角形贴片对称切去两个底角。
2.根据权利要求1所述的用于产生多模态OAM波束的紧凑型顺序旋转同心均匀圆阵列，其特征在于，所述带切角的等腰直角三角形微带贴片单元根据馈电位置分为：
将等腰直角三角形斜边水平放置，两直角边位于斜边上方，当馈电点位于左侧时，带切角的等腰直角三角形微带贴片为左圆极化单元，当馈电点位于右侧时，带切角的等腰直角三角形微带贴片为右圆极化单元。
3.根据权利要求2所述的用于产生多模态OAM波束的紧凑型顺序旋转同心均匀圆阵列，其特征在于，若要产生模式为l的OAM波，UCA的单元数N应满足N/2>|l|，当l>0时，可采用N个圆极化单元分别顺时针旋转0°，2πl/N°，4πl/N°，……，2πl(N-1)/N°，若单元为左圆极化单元，则依次逆时针排列成UCA，若单元为右圆极化单元，则依次按顺时针排列成UCA；这两种情况均能产生l>0模式的OAM波；
相反，按照上面的单元顺时针旋转角度，采用左圆极化单元依次顺时针排列成UCA或采用右圆极化单元依次逆时针排列成UCA，均可产生l<0模式的OAM波。
4.根据权利要求3所述的用于产生多模态OAM波束的紧凑型顺序旋转同心均匀圆阵列，其特征在于，采用左圆极化单元的阵列产生的波束在中心频率附近为LHCP，采用右圆极化单元的阵列产生的波束在中心频率附近为RHCP。
5.根据权利要求3所述的用于产生多模态OAM波束的紧凑型顺序旋转同心均匀圆阵列，其特征在于，采用左圆极化单元的顺序旋转UCA来产生-1模式的OAM波，或用右圆极化单元的顺序旋转UCA来产生+1模式的OAM波。
6.根据权利要求3所述的用于产生多模态OAM波束的紧凑型顺序旋转同心均匀圆阵列，其特征在于，采用内圈四个LHCP单元与外圈八个LHCP单元按照顺序旋转排列成CUCAs，同时辐射-1，-2模式的OAM波。
7.根据权利要求6所述的用于产生多模态OAM波束的紧凑型顺序旋转同心均匀圆阵列，其特征在于，圆极化贴片单元印刷在介质基板上表面，内外圈UCA半径分别为0.3λ0和0.7λ0，λ0为频率为9.2GHz的自由空间波长，介质基板的下表面为接地板，天线采用同轴馈电。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant |