用于产生涡旋电磁波的阵列天线制造技术

本发明专利技术公开了一种基于天线阵列的涡旋电磁波产生方法，主要解决现有技术产生涡旋电磁波所需设备复杂、体积大、成本高的问题。该天线阵包括8个阵列单元(T)、馈电网络(K)、介质基板(J)、同轴探针(Z)和金属地板(G)，8个阵列单元(T)和馈电网络(K)均印制在介质基板(J)的上表面，金属地板(G)印制在介质基板(J)的下表面，该8个阵列单元结构相同，每个阵列单元均采用底端开槽的矩形贴片，且各阵列单元等间隔的绕同轴探针所在位置组成圆形阵列；该馈电网络，设有1个输入端口和8个输出端口，输入端口与同轴探针相连，8个输出端口与8个阵列单元对应连接，本发明专利技术体积小、成本低，能产生涡旋电磁波，可用于无线通信。

【技术实现步骤摘要】
用于产生涡旋电磁波的阵列天线
本专利技术属于天线
，具体涉及一种可以产生微波频段涡旋电磁场的阵列天线，可以应用于无线通信。
技术介绍
随着无线通信技术的迅速发展，有限的频谱资源越来越不能够满足人们的需求，如何提高频谱资源利用率成为当今通信领域所关注的焦点。目前无线通信方面的技术手段主要是以频分复用为主，即把传输信道按照频率不同划分成若干个子信道，各个子信道之间互不影响地进行信号传输。频分复用技术的特点是所有子信道传输的信号以并行的方式工作，每一路信号传输时可不考虑传输时延，因而取得了非常广泛的应用，但是由于目前频带是有限的，也就是说，可以划分的子信道数量是一定的，限制了通信容量和通信速度，这就要求我们寻求频分复用技术之外的更加有效的增加频谱利用率的方法。涡旋电磁波是有别于普通平面波的一类电磁波，平面波只有自旋角动量，而涡旋波不仅具有自旋角动量，还有轨道角动量，它的等相位面由于波束携带轨道角动量而呈螺旋状分布，与平面波的等相位平面是不同的。涡旋电磁波可以有不同的模态数l。不同的l代表涡旋程度不同，理论上来讲l有无限多个取值，并且不同模态之间是相互正交的。这一特性为提高频谱利用率和信道容量提供了一个理想的发展方向。2007年，Thide等人首先提出用矢量阵列天线阵列可以产生OAM，在2010年，Mohammadi等人用实验仿真证明了此假设。接着在2014年，Willner等人利用螺旋相位板SPP在毫米波波段实现了8信道同时传输的通信。但是，这种方法使用的实验设备非常复杂，尺寸大，成本较高，不利于涡旋电磁波的广泛应用。因此，如何设计小尺寸高性能的阵列天线用来生成涡旋电磁波便成为一个急需研究的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种用于产生涡旋电磁波的阵列天线，以解决现有技术使用实验设备复杂，尺寸大，成本高昂的问题。为实现上述目的，本专利技术用于产生涡旋电磁波的阵列天线，包括8个阵列单元T、馈电网络K、介质基板J、同轴探针Z和金属地板G，8个阵列单元T和馈电网络K均印制在介质基板J的上表面，金属地板G印制在介质基板J的下表面，其特征在于：所述的8个阵列单元T结构相同，每个阵列单元均采用底端开槽的矩形贴片，且各阵列单元等间隔的绕同轴探针Z所在位置组成圆形阵列；所述的馈电网络K，设有1个输入端口和8个输出端口，且成横向H型分布，该输入端与同轴探针Z连接，以实现同轴探针Z对馈电网络K的馈电；该8个输出端口依次与8个阵列单元T对应连接，以实现馈电网络K对阵列单元T的馈电。作为优选，所述各阵列单元T的中心距同轴探针Z的距离为阵列天线工作波长λ。作为优选，所述馈电网络K包括两个第一λ/4阻抗匹配器2、四个第二λ/4阻抗匹配器4、两个第一过渡枝节1、四个第二过渡枝节3和八个差相馈电枝节5，6，7，8，9，10，11，12，每两个过渡枝节3的一端连接组成两对过渡枝节，每两个差相馈电枝节的一端连接，组成四对差相馈电枝节，即第一差相馈电枝节5与第二差相馈电枝节6的一端连接组成第一对差相馈电枝节，第三差相馈电枝节7与第四差相馈电枝节8的一端连接组成第二对差相馈电枝节，第五差相馈电枝节9与第六差相馈电枝节10的一端连接组成第三对差相馈电枝节，第七差相馈电枝节11与第八差相馈电枝节12的一端连接组成第四对差相馈电枝节。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：1.本专利技术的天线单元由于采用最常见的微带贴片，因而成本低，尺寸小，结构简单。2.本专利技术由于利用馈电网络对天线单元馈电的相位差产生涡旋波，无需用太多附加结构，故实验设备简单，易于实现，方便加工生产。3.本专利技术的整个装置位于介质板的一侧，天线圆阵列的半径为一个波长，馈电网络的位置选取有效地利用了天线阵列圆周内的空闲地方，整个阵列更加小型化。附图说明图1为本专利技术的三维结构示意图；图2为本专利技术实施例的中心频率为6GHz的回波损耗曲线图；图3为本专利技术实施例在6GHz时的方向的二维辐射图；图4为本专利技术实施例在6GHz时的方向的二维辐射图；图5为本专利技术实施例在6GHz时产生的涡旋电场分布图。具体实施方法下面结合附图对本专利技术的实施例作进一步的详细说明:参照图1，本专利技术主要由8个阵列单元T、馈电网络K、介质基板J、同轴探针Z和金属地板G组成，8个阵列单元T、馈电网络K均印制在介质基板J的上表面，金属地板G印制在介质基板J的下表面，同轴探针Z依次穿过金属地板G和介质基板J，并与馈电网络K的输入端口相连接，其中：所述金属地板G采用铜板。所述介质基板J采用介电常数为4.4，厚度为2mm的FR4环氧聚四氟乙烯，长L1＝140mm，宽W1＝140mm。所述的8个阵列单元T结构相同，每个阵列单元均采用底端开槽的矩形贴片，矩形贴片长为L0，宽为W0，矩形槽深度为Ls，宽度为Ws，且各阵列单元T等间隔的绕同轴探针Z所在位置组成圆形阵列，各阵列单元T的中心距同轴探针Z的距离R为阵列天线工作波长λ。所述的馈电网络K包括两个第一λ/4阻抗匹配器2、四个第二λ/4阻抗匹配器4、两个第一过渡枝节1、四个第二过渡枝节3和八个差相馈电枝节5，6，7，8，9，10，11，12，每两个过渡枝节3的一端连接组成两对过渡枝节，每两个差相馈电枝节的一端连接，组成四对差相馈电枝节，即第一差相馈电枝节5与第二差相馈电枝节6的一端连接组成第一对差相馈电枝节，第三差相馈电枝节7与第四差相馈电枝节8的一端连接组成第二对差相馈电枝节，第五差相馈电枝节9与第六差相馈电枝节10的一端连接组成第三对差相馈电枝节，第七差相馈电枝节11与第八差相馈电枝节12的一端连接组成第四对差相馈电枝节。该两个第一λ/4阻抗匹配器2关于同轴探针Z所在位置上下对称；该四个第二λ/4阻抗匹配器4关于同轴探针Z所在位置上下，左右对称；该两个第一过渡枝节1关于同轴探针Z所在位置上下对称；该四个第二过渡枝节3关于同轴探针Z所在位置上下，左右对称。上述的过渡枝节和λ/4阻抗匹配器均为矩形结构的微带传输线，八个差相馈电枝节5，6，7，8，9，10，11，12均为蛇形结构的微带传输线。其中，第一差相馈电枝节5与第五差相馈电枝节9，第二差相馈电枝节6与第六差相馈电枝节10，第三差相馈电枝节7与第七差相馈电枝节11，第四差相馈电枝节8与第八差相馈电枝节12这四对差相馈电枝节均关于同轴探针Z所在位置180°旋转对称；差相馈电枝节的拐角处用圆弧进行切角。这些部件的连接关系如下：第一过渡枝节1与第一λ/4阻抗匹配器2对应连接，第一λ/4阻抗匹配器2与每对第二过渡枝节3对应连接，第二过渡枝节3与第二λ/4阻抗匹配器4对应连接，第二λ/4阻抗匹配器4与每对差相馈电枝节对应连接。上述第一过渡枝节1的首端作为整个馈电网络K的输入端口，并与同轴探针Z相连，以实现同轴探针Z对馈电网络K的馈电；八个差相馈电枝节5，6，7，8，9，10，11，12的末端作为整个馈电网络K的8个输出端口，并依次与8个阵列单元T对应相连，以实现馈电网络K对阵列单元T的馈电。在工作频率为6GHz时，上述阵列单元矩形贴片的尺寸，开设的槽参数、馈电网络K的λ/4阻抗匹配器参数、过渡枝节的参数，及差相馈电枝节的圆弧切角半径和输出端口的宽度，均根据微带天线理论进行优化设置，本实施例给出的参数范围如下：矩形贴片长为10mm<L0&本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于产生单模态涡旋电磁场的阵列天线，包括8个阵列单元(T)、馈电网络(K)、介质基板(J)、同轴探针(Z)和金属地板(G)，8个阵列单元(T)和馈电网络(K)均印制在介质基板(J)的上表面，金属地板(G)印制在介质基板(J)的下表面，其特征在于：所述的8个阵列单元(T)结构相同，每个阵列单元均采用底端开槽的矩形贴片，且各阵列单元等间隔的绕同轴探针(Z)所在位置组成圆形阵列；所述的馈电网络(K)，设有1个输入端口和8个输出端口，该输入端与同轴探针(Z)连接，以实现同轴探针(Z)对馈电网络(K)的馈电；该8个输出端口依次与8个阵列单元(T)对应连接，以实现馈电网络(K)对阵列单元(T)的馈电。

【技术特征摘要】
1.一种用于产生单模态涡旋电磁场的阵列天线，包括8个阵列单元(T)、馈电网络(K)、介质基板(J)、同轴探针(Z)和金属地板(G)，8个阵列单元(T)和馈电网络(K)均印制在介质基板(J)的上表面，金属地板(G)印制在介质基板(J)的下表面，其特征在于：所述的8个阵列单元(T)结构相同，每个阵列单元均采用底端开槽的矩形贴片，且各阵列单元等间隔的绕同轴探针(Z)所在位置组成圆形阵列；所述的馈电网络(K)，设有1个输入端口和8个输出端口，该输入端与同轴探针(Z)连接，以实现同轴探针(Z)对馈电网络(K)的馈电；该8个输出端口依次与8个阵列单元(T)对应连接，以实现馈电网络(K)对阵列单元(T)的馈电。2.根据权利要求1所述的阵列天线，其特征在于：各阵列单元(T)的中心距同轴探针(Z)的距离R为阵列天线工作波长λ。3.根据权利要求1所述的阵列天线，其特征在于：馈电网络(K)包括两个第一λ/4阻抗匹配器(2)、四个第二λ/4阻抗匹配器(4)、两个第一过渡枝节(1)、四个第二过渡枝节(3)和八个差相馈电枝节(5，6，7，8，9，10，11，12)，每两个过渡枝节(3)的一端连接组成两对过渡枝节，每两个差相馈电枝节的一端连接，组成四对差相馈电枝节，即第一差相馈电枝节(5)与第二差相馈电枝节(6)的一端连接组成第一对差相馈电枝节，第三差相馈电枝节(7)与第四差相馈电枝节(8)的一端连接组成第二对差相馈电枝节，第五差相馈电枝节(9)与第六差相馈电枝节(10)的一端连接组成第三对差相馈电枝节，第七差相馈电枝节(11)与第八差相馈电枝节(12)的一端连接组成第四对差相馈电枝节。4.根据权利要求3所述的阵列天线，其特征在于：两个第一λ/4阻抗匹配器(2)关于同轴探针(Z)所在位置上下对称；四个第二λ/4阻抗匹配器(4)关于...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱诚，徐鹏，黄琪，贾晋晓，郭翀，梁昌洪，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61