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CN106816716A - 结构简洁的双模涡旋波束双圆极化四元阵列天线 - Google Patents

结构简洁的双模涡旋波束双圆极化四元阵列天线 Download PDF

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CN106816716A CN201611141958.8A CN201611141958A CN106816716A CN 106816716 A CN106816716 A CN 106816716A CN 201611141958 A CN201611141958 A CN 201611141958A CN 106816716 A CN106816716 A CN 106816716A
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白旭东
耿军平
金荣洪
朱卫仁
贺冲
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Abstract

本发明提供一种结构简洁的双模涡旋波束双圆极化四元阵列天线，采用圆极化单元连续旋转技术来获得产生涡旋波束所需的相位差；阵元等幅同相馈电，使得馈电网络结构得到极大简化，包括：4个寄生单元、上层介质基板、4个激励单元、中层介质基板、金属层地板、下层介质基板、馈电网络；寄生单元与激励单元分别置于上层介质基板和中层介质基板的上表面，上层介质基板和中层介质基板之间用空气层隔开，馈电网络置于所述的下层介质基板的下表面，馈电网络通过金属探针穿过地板与激励单元相连接。本发明不仅可生成涡旋模式l＝+1的左旋圆极化波和涡旋模式为l＝‑1的右旋圆极化波，同时具有较好的圆极化辐射特性，且天线结构简洁、体积小、剖面低、重量轻、易于共形。

Description

结构简洁的双模涡旋波束双圆极化四元阵列天线
技术领域
本发明涉及可生成涡旋电磁波的天线领域，具体地，涉及结构简洁的双模涡旋波束双圆极化四元阵列天线。
背景技术
无线通信的载体主要是微波或毫米波频段的电磁波，实际中使用最多的有球面波和平面波两种。传统的研究一直集中于密集编码及信道复用等技术，如2G中提出的时分复用(TDM)和码分复用(CDM)，3G时代又加入了空分复用(SDM)，4G又采用正交频分复用(OFDM)及MIMO技术等。却忽略了对作为信息载体电磁波本身的研究，这些技术的使用使得频谱利用率得到了一定的提高。然而如果要进一步大幅提高频谱资源利用率，满足数据容量的爆炸式增长需求，亟需一种新的革命性的方法来彻底解决这一问题。在这一前提下，一种区别于球面波和平面波的涡旋电磁波，即携带有轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)电磁波的通信系统，为提高通信速率、频谱利用率提供了一个理想的发展方向。相比平面电磁波，涡旋电磁波由于其自身相位的螺旋状特征，理论上存在无穷阶的模态，且各模态的涡旋波束具有相互正交特性。因此，利用不同模态的涡旋波束区分不同的传输信道，就可以实现涡旋信道的传播复用。
目前，微波频段涡旋电磁波的产生方法主要包含准光学的平面波转化法和环形阵列法两种。其中，环形阵列法通过给阵列单元馈入不同的相位来生成涡旋波束，其显著优点就是，在不改变阵列天线结构的前提下，只改变加载在阵元上信号的相位就可以实现不同模式涡旋电磁波的发射。涡旋电磁波在通信中的最大优势在于其多种模态的复用，而现有技术文献中可生成涡旋电磁波的天线实物只能生成一种或最多两种模式的涡旋波束，且生成两种模式涡旋波束的天线结构也都比较复杂；而可生成更多阶模式OAM波束的相控阵系统，需要引入大量的移相器和复杂的控制网络，系统的复杂度和成本极高，故目前只停留在仿真验证阶段。因此，对具有简洁结构形式的双模或多模涡旋波束天线技术的研究显的十分必要。
发明内容
本发明的目的在于针对现有生成涡旋电磁波的天线实物生成的涡旋模式较少，且天线结构也都比较复杂的问题，以非常简洁的结构形式产生了两种涡旋电磁波，并具有较高的涡旋模式纯度。
本发明的技术解决方案如下：
一种结构简洁的双模涡旋波束双圆极化四元阵列天线，由上至下依次包括：寄生单元、上层介质基板、激励单元、中层介质基板、金属地板、下层介质基板和馈电网络；其特征是采用圆极化单元连续旋转技术来获得产生涡旋波束所需的相位差，4个阵元等幅同相馈电依次顺时针旋转0°、90°、180°、270°，使得馈电网络结构得到极大简化。
其中，所述的寄生单元与激励单元分别置于所述的上层介质基板和中层介质基板的上表面，所述的上层介质基板和中层介质基板之间用空气层隔开；空气层的高度影响天线的阻抗特性，从而影响天线的阻抗带宽。
所述的馈电网络置于所述的下层介质基板的下表面，所述的下层介质基板与中层介质基板通过所述的金属地板隔开；
馈电网络的输出端口通过探针与所述的激励单元连接。
所述的激励单元为带有四个枝节的圆形金属贴片。圆形金属贴片的尺寸大小是由微带天线理论计算并结合HFSS仿真软件优化得到。四个开路枝节能够改善圆极化轴比特性和驻波比。
所述的寄生单元是圆形金属贴片，该圆形金属贴片的尺寸比所述的激励单元的尺寸大70％。如果尺寸选的合适，可以得到较宽的阻抗带宽。
所述的含有与功分器的馈电网络与所述的激励单元被所述的接地单元分隔在两面。
所述的含有与功分器的馈电网络的输出端口通过探针与所述的激励单元连接。其中，混合电桥馈电网络能够产生两个幅度相同，相位差为90°的信号能量，用于实现天线的圆极化辐射。
所述的金属地板，使馈电网络与天线分隔在接地单元的两面，避免了馈电网络对激励单元的影响。
所述的上层介质基板、中层介质基板和下层介质基板都为低介电常数微波板。
所述的寄生单元、激励单元和馈电网络均为金属制成。
在优选例中，所述结构简洁的双模涡旋波束双圆极化四元阵列天线，仅由从上至下依次设置的4个寄生单元、上层介质基板、4个激励单元、中层介质基板、金属地板、下层介质基板以及馈电网络构成。
与现有技术的涡旋波束阵列天线相比，本发明由于采用圆极化单元连续旋转技术来获得产生涡旋波束所需的相位差，极大地简化了天线的馈电网络；同时还具有阻抗带宽较宽、轴比阻抗带宽较宽、涡旋模式纯度较高、成本较低并易于共形等诸多优点。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明结构简洁的双模涡旋波束双圆极化四元阵列天线的三维分层结构示意图。
图2是本发明结构简洁的双模涡旋波束双圆极化四元阵列天线的背面结构仰视图。
图3是本发明结构简洁的双模涡旋波束双圆极化四元阵列天线的侧面结构示意图。
图4是本发明结构简洁的双模涡旋波束双圆极化四元阵列天线的上层介质基板正面结构示意图。
图5是本发明结构简洁的双模涡旋波束双圆极化四元阵列天线的中层介质基板正面结构示意图。
图6是本发明结构简洁的双模涡旋波束双圆极化四元阵列天线的馈电网络示意图。
图7是本发明结构简洁的双模涡旋波束双圆极化四元阵列天线的方向图。
图8是本发明结构简洁的双模涡旋波束双圆极化四元阵列天线的S参数。
图9是本发明结构简洁的双模涡旋波束双圆极化四元阵列天线所生成两种圆极化波最大辐射方向处的轴比随频率变化图。
图10是本发明在激励I端口时产生的l＝+1涡旋模式的左旋圆极化波的轴比波束三维图(轴比小于3dB部分由图中球面凹进去的部分表示)。
图11是本发明在激励II端口时产生的l＝-1涡旋模式的右旋圆极化波的轴比波束三维图(轴比小于3dB部分由图中球面凹进去的部分表示)。
图12是本发明在激励I端口时产生的l＝+1涡旋模式的左旋圆极化波在4.8GHz仿真的空间远场相位分布。
图13是本发明在激励II端口时产生的l＝-1涡旋模式的右旋圆极化波在4.8GHz仿真的空间远场相位分布。
图中：1.寄生单元，2.激励单元，3.馈电网络，4.金属地板，5.上层介质基板，6.中层介质基板，7.下层介质基板，8.枝节，9.输入端口I，10.输入端口II。
输入端口I记为Port I
输入端口II记为Port II
l表示涡旋电磁波模态阶数
LHCP表示左旋圆极化
RHCP表示右旋圆极化
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供一种结构简洁的双模涡旋波束双圆极化四元阵列天线，采用圆极化单元连续旋转技术来获得产生涡旋波束所需的相位差；阵元等幅同相馈电，使得馈电网络结构得到极大简化。其详细结构由上至下依次包括：4个寄生单元、上层介质基板、4个激励单元、中层介质基板、金属层地板、下层介质基板、含有混合电桥及功分器的馈电网络；寄生单元、激励单元分别置于上层介质基板、中层介质基板的上表面，上层介质基板和中层介质基板之间用空气层隔开，馈电网络置于所述的下层介质基板的下表面，馈电网络通过金属探针穿过地板与激励单元相连接。本发明不仅可生成涡旋模式l＝+1的左旋圆极化波和涡旋模式为l＝-1的右旋圆极化波，同时具有较好的圆极化辐射特性，且天线结构简洁、体积小、剖面低、重量轻、易于共形。
请先参阅图1和图3，图1是本发明结构简洁的双模涡旋波束双圆极化四元阵列天线的三维分层结构示意图，图2是本发明结构简洁的双模涡旋波束双圆极化四元阵列天线的背面结构仰视图，图3是本发明结构简洁的双模涡旋波束双圆极化四元阵列天线的侧面结构示意图。如图所示，一种结构简洁的双模涡旋波束双圆极化四元阵列天线，由上至下依次包括：4个寄生单元1、上层介质基板5、4个激励单元2、中层介质基板6、金属地板4、下层介质基板7以及馈电网络3。
寄生单元1位于上层介质基板5的上表面，激励单元2位于中层介质基板6上表面，上层介质基板5与中层介质基板6中间是空气层，空气层厚度为h，在本实施例中空气层厚度为0.05λ。
馈电网络置于所述的下层介质基板7的下表面，所述下层介质基板7与中层介质基板6通过所述金属地板4隔开。金属地板4是涂覆在下层介质基板7的覆铜层，中层介质基板6与下层介质基板7之间通过馈电网络3输出端口的馈电探针焊接在一起。馈电网络优选为3dB混合电桥馈电网络。
波长λ是指天线工作时辐射于自由空间中的电磁波的波长。
图4是本发明具有宽轴比波束宽度的圆极化微带贴片天线的上层介质基板正面结构示意图。如图所示，上层介质基板5为正方形，四个圆形寄生单元1位于上层介质基板5的上表面，四个寄生单元1是圆形金属贴片，直径为D1，在本实施例中大小为0.43λ。
图5是本发明结构简洁的双模涡旋波束双圆极化四元阵列天线的中层介质基板正面结构示意图，如图所示，中层介质基板6为正方形，四个激励单元2均为带有四个枝节8的圆形金属贴片，激励单元2的直径为D2，在本实施例中大小为0.33λ。
图6是本发明具有宽轴比波束宽度的圆极化微带贴片天线的馈电网络结构示意图，如图所示，馈电网络由4个3dB混合电桥和2个一分四功分器组成，共有两个输入端口；其中，当输入端口I9激励时，天线将辐射OAM模式l＝+1的左旋圆极化波；当输入端口II10激励时，天线将辐射OAM模式l＝-1的右旋圆极化波。
上层介质基板5、中层介质基板6、下层介质基板7是介电常数为3的微波板，其厚度分别为0.508mm、0.762mm、0.508mm。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种结构简洁的双模涡旋波束双圆极化四元阵列天线，其特征在于，包括由上至下依次设置的寄生单元(1)、上层介质基板(5)、激励单元(2)、中层介质基板(6)、金属地板(4)、下层介质基板(7)以及馈电网络(3)；
寄生单元(1)位于上层介质基板(5)的上表面，激励单元(2)位于中层介质基板(6)上表面，上层介质基板(5)与中层介质基板(6)中间用空气层隔开；
馈电网络置于所述的下层介质基板(7)的下表面，所述下层介质基板(7)与中层介质基板(6)通过所述金属地板(4)隔开；
所述上层介质基板(5)和中层介质基板(6)之间通过金属螺钉紧固连接。
2.根据权利要求1所述的结构简洁的双模涡旋波束双圆极化四元阵列天线，其特征在于，采用圆极化单元连续旋转技术来获得产生涡旋波束所需的相位差，阵元等幅同相馈电，使得馈电网络结构得到简化；其中，寄生单元(1)有4个，激励单元(2)有4个；由同一位置开始，沿圆周方向，4个寄生单元(1)依次顺时针旋转了0°、90°、180°、270°，4个激励单元(2)依次顺时针旋转了0°、90°、180°、270°。
3.根据权利要求1所述的结构简洁的双模涡旋波束双圆极化四元阵列天线，其特征在于，4个寄生单元(1)与4个激励单元(2)一一对应；在一一对应的寄生单元(1)与激励单元(2)之间，寄生单元(1)与激励单元(2)同轴设置且位于激励单元(2)的正上方。
4.根据权利要求1所述的结构简洁的双模涡旋波束双圆极化四元阵列天线，其特征在于，所述激励单元(2)为带有四个枝节(8)的圆形金属贴片。
5.根据权利要求1所述的结构简洁的双模涡旋波束双圆极化四元阵列天线，其特征是所述馈电网络(3)与所述激励单元(2)被所述金属地板(4)分隔在两面。
6.根据权利要求1所述的结构简洁的双模涡旋波束双圆极化四元阵列天线，其特征在于，所述馈电网络(3)的输出端口通过探针与所述激励单元(2)连接。
7.根据权利要求1所述的结构简洁的双模涡旋波束双圆极化四元阵列天线，其特征在于，所述上层介质基板(5)、中层介质基板(6)以及下层介质基板(7)都为微波介质板，上层介质基板(5)、中层介质基板(6)、下层介质基板(7)之间形状相匹配。
8.根据权利要求1所述的结构简洁的双模涡旋波束双圆极化四元阵列天线，其特征在于，所述寄生单元(1)、激励单元(2)以及馈电网络(3)均为金属制成。
9.根据权利要求1所述的结构简洁的双模涡旋波束双圆极化四元阵列天线，所述馈电网络(3)包含两个一分四等幅同相功分器，分别用于左旋与右旋两种圆极化的馈电；当馈电网络(3)的输出端口I(9)激励时，天线将辐射OAM模式l＝+1的左旋圆极化波；当输出端口II(10)激励时，天线将辐射OAM模式l＝-1的右旋圆极化波。
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