一种可产生多模态涡旋电磁波的阵列天线制造技术

本发明专利技术公开的可产生多模态涡旋电磁波的阵列天线，涉及无线通信技术领域，包括底层介质板、顶层介质板、N‑1个双向功率分配器、微带线及N+1个辐射单元，其中，N+1个辐射单元包括：N+1个驱动贴片及N+1个寄生贴片，每个辐射单元包括一个驱动贴片及一个寄生贴片，N＝2n，n为大于等于2的整数。其中，N‑1个双向功率分配器分别通过微带线分别与N+1个驱动贴片连接，双向功率分配器、微带线及N+1个驱动贴片均设置于底层介质板的上表面，N+1个寄生贴片与N+1个驱动贴片相对应并设置于顶层介质板的下表面，简化了现有阵列天线的工作流程，使得该阵列天线简单易用且能够产生多个模态涡旋电磁波。

【技术实现步骤摘要】
一种可产生多模态涡旋电磁波的阵列天线
本专利技术属于无线通信
，具体涉及一种可产生多模态涡旋电磁波的阵列天线。
技术介绍
随着无线通信技术的迅速发展，新型业务不断涌现，有限的频谱资源已经不能够满足人们的需求。由于无线频谱资源的有限性、独占性和稀缺性，极大地限制了无线通信技术的发展，所以说，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，为此人们先后提出了时分多址TDMA、码分多址CDMA、正交频分复用OFDM等多种复用技术来提高无线频谱的利用率。然而，传统的无线通信技术主要以信号的幅度、相位、频率等形式进行信息传输，且在同一时间、同一码域里一个频带只能传输一路信息，故提出具有轨道角动量的涡旋电磁波技术来满足未来移动数据的需求。轨道角动量涡旋波近些年得到了广泛的研究与应用，然而射频和无线通信领域的研究与应用相对滞后。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。直到2007年，瑞典的B.Thide等通过运用阵列天线产生轨道角动量的方法成功将其应用于射频无线通信领域，至此OAM电磁涡旋场在无线通信中的应用才逐步成为当今的研究热点。到目前为止，用于产生轨道角动量波束的方式主要包括采用旋转相位板、螺旋抛物面和阵列天线。上述几种方法中，旋转相位板在光波段的使用最为广泛，其特点在于理论与结构简单，可以双极化激励，转换效率较高，但是在射频微波波段，由于其产生的波束发散角较大、不利于远距离传输、介质板对波束的反射会降低发射效率及方案复杂等问题限制了其在射频微波波段的广泛应用。而螺旋抛物面则是通过将已有的抛物面天线弯曲螺旋成螺旋曲面，利用抛物面的汇聚作用，将发散的微波轨道角动量波束汇聚来产生轨道角动量波束，但是，这种结构很难产生多个模态的轨道角动量涡旋波束，且不稳定性强、不易于制作。阵列天线技术在近些年得到了广泛研究，并且应用于很多领域，如通信、传感、能量收集、雷达等，这也为使用阵列天线产生携带有轨道角动量的涡旋波束提供了较好的理论和实践基础。例如申请公开号为CN106058490A，名称为“一种产生涡旋电磁波的方法”的专利申请，公开了一种利用阵元总数为N的阵列天线产生涡旋电磁波的方法。该方法通过调节阵元数目和阵元排布方式来产生不同模态的涡旋电磁波。虽然该方法阵列单元形式不限，阵列排布方式灵活，但该方法需要对各个阵元施加幅度相等且相差特定相位的激励，这一点通过现有的物理设备难以较好的实现，并且无法同时产生多个模态涡旋电磁波。因此，研究设计出简单易用且能够同时产生多个模态涡旋电磁波的天线是目前迫切需要的。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术实施例提出了一种可产生多模态涡旋电磁波的阵列天线。为实现上述目的，采用如下方案：本专利技术实施例提供的一种可产生多模态涡旋电磁波的阵列天线包括底层介质板、顶层介质板、N-1个双向功率分配器、微带线及N+1个辐射单元，其中，N+1个辐射单元包括：N+1个驱动贴片及N+1个寄生贴片，每个辐射单元包括一个驱动贴片及一个寄生贴片，N＝2n，n为大于等于2的整数；其中，N-1个双向功率分配器分别通过微带线分别与N+1个驱动贴片连接，双向功率分配器、微带线及N+1个驱动贴片均设置于底层介质板的上表面，N+1个寄生贴片与N+1个驱动贴片相对应并设置于顶层介质板的下表面。优选地，在N+1个辐射单元中，N个辐射单元均匀设置于半径为λ的圆周上，用于产生1模态涡旋电磁波；1个辐射单元设置于圆周的中心位置，用于产生0模态涡旋电磁波，其中，λ为电磁波的波长。优选地，N+1驱动贴片及N+1寄生贴片均呈正方形，N+1寄生贴片的边长比N+1驱动贴片的边长均大2～4mm且N+1驱动贴片的边长均为其中，c为光速，f为信号频率，εr为介电常数。优选地，底层介质板及顶层介质板均为厚度为0.5～2.5mm，介电常数为3.2～3.6的板材。优选地，顶层介质板与底层介质板之间的间隔距离为3～5mm。优选地，N-1个双向功率分配器包括被分为n个等级的双向功率分配器，其中，第一级双向功率分配器到第二级的两个双向功率分配器之间的微带线长度差Δd1＝λ/2，第二级双向功率分配器到第三级的两个双向功率分配器之间的微带线长度差Δd2＝λ/4，第三级双向功率分配器到相邻两个驱动贴片之间的微带线长度差Δd3＝λ/8，依次类推，第n级双向功率分配器到与其相邻的两个驱动贴片之间的微带线长度差Δdn＝λ/N，其中，λ为电磁波的波长。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：(1)由于本专利技术实施例采用具有特定间隔的双层介质板，并且设计了驱动贴片和寄生贴片，因而与其他天线相比具有更宽的带宽。(2)由于本专利技术实施例采用由多级双向功率分配器和特定长度微带线构成的馈电网络，实现了模拟域信号的相位偏移，因此对信号发生设备要求低，易于实现，而且产生的涡旋电磁波效果更加稳定。(3)由于本专利技术实施例采用多模态天线嵌套排布方式，能够同时产生多个模态的涡旋电磁波。附图说明图1是本专利技术实施例提供的可产生多模态涡旋电磁波的阵列天线的整体结构示意图；图2是本专利技术实施例提供的可产生多模态涡旋电磁波的阵列天线的底层介质板结构示意图；图3是本专利技术实施例提供的可产生多模态涡旋电磁波的阵列天线的顶层介质板结构示意图；图4是本专利技术实施例提供的另一可产生多模态涡旋电磁波的阵列天线的结构示意图；图5是通过仿真得到的本专利技术实施例提供的可产生多模态涡旋电磁波的阵列天线S11参数示意图；图6是通过仿真得到的可产生多模态涡旋电磁波的阵列天线0模态主极化方向涡旋电磁波电场相位分布特性图；图7是通过仿真得到可产生多模态涡旋电磁波的阵列天线1模态主极化方向涡旋电磁波电场相位分布特性图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术进行进一步详细阐述。参照图1，本专利技术实施例提供的可产生多模态涡旋电磁波的阵列天线包括：底层介质板1、顶层介质板2、双向功率分配器3、微带线4、第一输入端8、第二输入端9、及N+1个辐射单元，其中，底层介质板1和顶层介质板2二者之间用垫片7支撑，所述N+1个辐射单元包括：N+1个驱动贴片6及N+1个寄生贴片5，每个辐射单元包括一个驱动贴片6及一个寄生贴片5，N＝2n，n为大于等于2的整数；其中，所述N-1个双向功率分配器3分别通过所述微带线4分别与所述N+1个驱动贴片6连接，所述双向功率分配器3、所述微带线4及所述N+1个驱动贴片6均设置于所述底层介质板2的上表面，所述N+1个寄生贴片5所处的位置分别与所述N+1个驱动贴片6所处的位置相对应并设置于所述顶层介质板2的下表面。在一个示例中，如图2所示，取n＝3，N＝2n＝8，该阵列天线包括9个寄生贴片及9个驱动贴片。在一个示例中，如图3所示，寄生贴片5及驱动贴片6共有9个。参照图3，在顶层介质板2上蚀刻有寄生贴片5共有9个，其中有8个寄生贴片均匀排列在半径为λ的圆周上，1个寄生贴片蚀刻在该圆的圆心位置，其中，λ为电磁波的波长。在安装天线时，底层介质板1和顶层介质板2的蚀刻层要相对安装，即寄生贴片5与驱动贴片6的位置相互对应。可选地，在所述N+1个辐射单元中，N个辐射单元均匀设置于半径为λ的圆周上，用于产生1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可产生多模态涡旋电磁波的阵列天线，其特征在于，包括：底层介质板、顶层介质板、N‑1个双向功率分配器、微带线及N+1个辐射单元，其中，所述N+1个辐射单元包括：N+1个驱动贴片及N+1个寄生贴片，每个辐射单元包括一个驱动贴片及一个寄生贴片，N＝2n，n为大于等于2的整数；其中，所述N‑1个双向功率分配器分别通过所述微带线分别与所述N+1个驱动贴片连接，所述双向功率分配器、所述微带线及所述N+1个驱动贴片均设置于所述底层介质板的上表面，所述N+1个寄生贴片与所述N+1个驱动贴片相对应并设置于所述顶层介质板的下表面。

【技术特征摘要】
1.一种可产生多模态涡旋电磁波的阵列天线，其特征在于，包括：底层介质板、顶层介质板、N-1个双向功率分配器、微带线及N+1个辐射单元，其中，所述N+1个辐射单元包括：N+1个驱动贴片及N+1个寄生贴片，每个辐射单元包括一个驱动贴片及一个寄生贴片，N＝2n，n为大于等于2的整数；其中，所述N-1个双向功率分配器分别通过所述微带线分别与所述N+1个驱动贴片连接，所述双向功率分配器、所述微带线及所述N+1个驱动贴片均设置于所述底层介质板的上表面，所述N+1个寄生贴片与所述N+1个驱动贴片相对应并设置于所述顶层介质板的下表面。2.根据权利要求1所述的阵列天线，其特征在于，在所述N+1个辐射单元中，N个辐射单元均匀设置于半径为λ的圆周上，用于产生1模态涡旋电磁波；1个辐射单元均匀设置于所述圆周的中心位置，用于产生0模态涡旋电磁波，其中，λ为电磁波的波长。3.根据权利要求1所述的阵列天线，其特征在于，所述N+1驱动贴片及所述N+1寄生贴片均呈正...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦凡，程文驰，张海林，孙涛，刘毅，匡亚茹，
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