一種產生渦旋電磁波的單極子天線陣列及其饋電系統的製作方法與工藝
2023-09-14 19:57:40 4
本發明屬於無線通信技術領域，更具體地，涉及一種產生渦旋電磁波的單極子天線陣列及其饋電系統。
背景技術：
隨著智能終端的普及以及移動網際網路應用的發展，頻譜利用率和系統容量已經趨近香農極限，容量需求不斷擴大與頻譜資源日益短缺的矛盾成為了限制無線通信技術發展的一大瓶頸。在光學領域，利用光束的軌道角動量，光通信系統的傳輸能力得到了很大程度的擴展。因此，軌道角動量作為一項新型技術從光學領域被引入到了無線通信領域。理論上可以證明，同一頻率的電磁波擁有無窮多個OAM模式，且各模式之間相互正交。因此，軌道角動量可以作為繼時間，空間，碼型，頻率之後一個新的復用維度。利用這一特性，可以在同一帶寬內並行傳輸多路攜帶有不同模式數的電磁波，有望實現在不增加系統帶寬的情況下，極大地提高系統容量，有效解決頻率資源短缺的問題。2012年，B.Thidé等人利用改造的螺旋拋物面天線和八木天線在2.414GHz的頻帶上實現了兩個模式數分別為0和1的正交OAM信道，在同一頻帶內實現了兩路信號同時傳輸。首次驗證了在自然環境中攜帶軌道角動量的電磁波可以在無線通信中進行信息傳輸，實現了微波渦旋通信。見F.Tamburinietal.,Tamburini,Fabrizio,etal."Encodingmanychannelsinthesamefrequencythroughradiovorticity:firstexperimentaltest."NewJournalofPhysics14.3(2011):811-815.為了在無線通信系統中利用OAM，第一步就是要高效地產生攜帶軌道角動量的電磁波。根據已有文獻資料，攜帶OAM的波束可以通過N個陣元的相控圓形陣列來產生，條件是使天線陣元沿z軸對稱均勻排列，為各陣元饋送幅度相等的信號，且使相鄰陣元之間的饋電相位差為±2πl/N，使得渦旋波束圍繞軸線旋轉一周後，相位剛好增加±2πl。其中l為所需要的OAM模態值，可以通過改變陣元之間饋電相位差來產生不同的OAM模態。而普遍採用的相控陣天線大多是非平面化的結構導致不利於集成。且目前研究重心主要集中在相控陣天線的形式，沒有設計出成熟有效的饋電系統。由於該結構的天線對相位誤差很敏感，因此如何設計出滿足條件的饋電系統具有重要意義。
技術實現要素：
本發明提供了一種產生渦旋電磁波的單極子天線陣列以及完整的饋電系統，解決了現有的相同功能陣列天線體積大，不易集成不方便擺放的缺點，同時提出了一種性能優良的饋電系統，方便使用，操作簡單。本發明提出的單極子天線陣列及其饋電系統包括介質基板、單極子天線陣列、饋電系統、接地面四部分。所述介質基板半徑為R的圓形絕緣介質基板，其上表面是由金屬材料印刷而成的微帶電路，下表面是半徑為r的圓形的接地板。介質基板上方的微帶電路主要分為兩個部分，一個部分是功率分配器和不同長度的微帶線組成的饋電系統，另一個部分是由N個單極子天線作為陣元組成的天線陣列，其中每個單極子天線的長度均為λ0/4。信號從饋電系統的輸入埠饋入，經過一個功率分配器，得到功率以及相位都相等的兩路信號，然後通過不同長度的微帶線產生2πl/N的相位差，反覆使用這些結構就可以在饋電系統的N個輸出埠處產生功率相同且相鄰埠之間相位差為2πl/N的N路信號。N個輸出埠均勻等間隔地排布在半徑為r的圓周上，為N陣元的單極子天線陣列饋電。N個單極子天線均勻、射線狀排布在半徑為r的圓周上，相鄰天線之間的夾角為2π/N。N個單極子天線陣元通過饋電系統的N個輸出埠被饋以幅度相等，相位相繼相差2πl/N的信號，即可在垂直於天線的平面內產生模式數為l的渦旋電磁波。與現有的產生渦旋電磁波的天線結構相比，本發明利用結構簡單的單極子天線作為陣元，實現了一種體積小，易生產，具有平面結構，易集成的渦旋電磁波產生天線。同時還設計了一套完整的饋電系統，解決了陣列天線的饋電問題，只需要在一個埠輸入激勵即可得到所需的OAM模態，方便操作，使用簡單。附圖說明圖1(A)為本發明實施例1的側視圖；圖1(B)為圖1(A)的俯視圖；圖1(C)為圖1(A)的仰視圖；圖1(D)為圖1(B)中饋電網絡的放大圖；圖1(E)為實施例1所示天線傳播方向上的某一平面電場。具體實施方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。如圖1(A)、圖1(B)、圖1(C)所示，本發明的實施例1，包括介質基板(10)、N陣元單極子天線陣列(20)、饋電系統(30)和圓形接地板(40)；所述介質基板(10)為形狀是圓形的絕緣介質基板，其上表面附有N＝8陣元的單極子天線陣列(20)和饋電系統(30)；下表面附有圓形接地板(40)。介質基板(10)與接地板(40)的圓心重合。饋電網絡(30)分布在與接地板(40)半徑相同的圓形區域內(如圖1(B)中紅色虛線框所示)，與介質基板(10)和接地板(40)構成微帶線結構；天線下方無接地板。介質基(10)採用FR4材料，相對介電常數εr為4.4，厚度H為0.8mm，半徑R為60mm。接地板材料為銅，半徑r為42mm。圖1(D)為圖1(B)中饋電網絡的放大圖。該饋電網絡由功率分配器(31)、不同長度微帶線(32)組成，產生模式數l＝2的輸出信號,即相鄰埠之間的信號相位差為90°。8個輸出埠得到的信號均由輸入信號從I點饋入，並先後經過3個功率分配器(31)得到。每個埠的信號功率均為輸入信號功率的1/8，相鄰埠之間的信號相位差90°由不同長度的微帶線(32)進行調節。該饋電網絡中有兩種寬度的微帶線，分別為W1＝4.08mm，W2＝0.76mm。8個單極子天線從饋電網絡的8個埠呈射線狀延伸出去，相鄰兩天線之間的夾角為45°；每個單極子天線的長度為頻率f＝3.4GHz對應的自由空間波長的1/4，寬度為W2。8個埠分別給對應的8個單極子天線饋電，即可產生模式l＝2的渦旋電磁場。圖1(E)為本實施例的天線正上方的某一平面電場。本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。