一种实现多OAM模式产生的嵌套双臂平面螺旋天线制造技术

本发明专利技术涉及一种实现多OAM模式产生的嵌套双臂平面螺旋天线，所述的天线结构分为三层，第一层为微带螺旋结构，第二层为金属反射板，第三层为该天线的馈电网络部分，馈电网络的输出端口穿过金属反射板与第一层的微带螺旋相连接；所述的微带螺旋结构包括顶层介质板、印制在顶层介质板顶部的三个双臂螺旋线、印制在顶层介质板底部的金属圆盘和金属圆环；所述的馈电网络包括顶部的金属地、底部的三个一分二的功分器；三个功分器的输出端口分别对应三个双臂螺旋线；其中，第一层的顶部的双臂螺旋线通过同轴线的内导体与第三层的底部的功分器相连接，第一层底部的金属圆盘通过同轴线的外导体穿过金属反射板，与第三层的顶部的金属地相连接。

A nested double-arm planar helical antenna for multi-OAM mode generation

【技术实现步骤摘要】
一种实现多OAM模式产生的嵌套双臂平面螺旋天线
本专利技术涉及射频天线
，具体涉及一种实现多OAM模式产生的嵌套双臂平面螺旋天线。
技术介绍
电磁辐射可以同时携带线动量和角动量，其中，角动量分为两种：自旋角动量(SpinAngularMomentum,SAM)和轨道角动量(OrbitalAngularMomentum,即OAM)。1992年，荷兰物理学家Allen等人首次分析了涡旋光束的轨道角动量特性，并在发布于《PhysicalReviewAAtomicMolecular》45卷11期上的“OrbitalangularmomentumoflightandtransformationofLaguerreGaussianLasermodes”一文中指出理论上OAM具有无限多个状态，且不同的OAM态之间相互正交，因此，轨道角动量可以作为继时间、空间、码型、频率之后又一个新的复用维度，这对扩大通信系统的容量具有重大的意义。这种特殊的光场结构引起了学术界极大的重视，并为之后的光涡旋场的应用研究奠定了理论基础。2007年发表于《PhysicalReviewLetters》99卷第8期上的“Utilizationofphotonorbitalangularmomentuminthelow-frequencyradiodomain”一文中首次指出了可采用相控阵天线来产生涡旋电磁波，此次实验也是将射频天线与轨道角动量一次紧密连接，自此揭开了关于通过天线来产生携带轨道角动量的涡旋电磁波的相关课题研究的序幕。但是用于产生涡旋电磁波的阵列天线体积通常庞大，馈电结构复杂，且单元的损耗较高。2011年，Tamburini等人首次在射频域成功实现了基于两个不同模式的轨道角动量的信道编码以及无线通信的实验，并发表在《NewJournalofPhysics》14卷第3期上的“Encodingmanychannelsonthesamefrequencythroughradiovorticity:firstexperimentaltest”，该实验采取发射涡旋电磁波的天线为抛物面反射天线结构，此结构的增益高、定向性好，但是体积非常笨重，且一种结构只能产生一种OAM态。2014年，发表于《ProgressInElectromagneticsResearch》148卷上“Circularpolarizedpatchantennageneratingorbitalangularmomentum”提出使用单一圆极化圆形贴片天线生成OAM波束的方法，通过合理地选择馈电探针位置及相位，激发两种具有相移的正交TMnm模式，来产生±(n-1)阶拓扑荷的涡旋电磁波。2016年，西安电子科技大学大学的天线与微波技术国家重点实验室团队提出一种反射超表面阵列，可在射频域产生涡旋电磁波，并在《AppliedPhysicsLetters》第108卷12期上发表“Design,fabrication,andmeasurementofreflectivemetasurfacefororbitalangularmomentumvortexwaveinradiofrequencydomain”，该文中采取的OAM发生器包括馈源天线、超表面、金属地，馈源采用喇叭天线，馈源天线产生的球面波照射到超表面阵列上，考虑到入射的电磁波到每个单元的相位、各阵列单元所在平面的方位角、以及需要产生相应OAM态的阵列各个位置处所需的相位值，从而计算出阵列中每个单元需要提供的相位补偿，由于在谐振频率处单元尺寸与反射相位具有一定的响应关系，通过这种响应关系，计算出阵列中每个位置所对应的单元尺寸。这种超表面阵列的优势在于不需要复杂的馈电网络，但是其馈源为单独的电磁波发生结构，且与阵列保持一定距离，这大大增加了OAM发生器的剖面高度。2016年发表于《IetMicrowavesAntennasandPropagation》10卷13期上的“Hornantennasforgeneratingradiowavesbearingorbitalangularmomentumbyusingspiralphaseplate”一文采用在喇叭结构里面嵌入一个螺旋相位板来生成具有轨道角动量的涡旋电磁波，通过调节螺旋相位板上升的高度来实现具有不同轨道角动量涡旋电磁波的产生，但是螺旋相位板不易制作，很难实现其表面可以保持光滑上升。因此对于OAM通信系统的复用来说，如果能找到一种可以用单一结构产生具有不同轨道角动量的涡旋电磁波将具有非常重要的意义。2018年，Ren等人提出采用一个半球形的介质谐振腔来生成OAM，其中介质谐振器由两个正交的信号进行馈电，激发出高阶模式，馈电是由混合耦合器完成，分别通过对两个端口进行馈电，产生两种OAM态，并将该成果发表于《AppliedPhysicsLetters》112卷13期上的“Generationofmicrowaveorbitalangularmomentumstatesusinghemisphericaldielectricresonatorantenna”，但是该天线结构在单一频率产生的OAM态只能是两种，且OAM态的正负主要受到馈电电桥的控制，也即产生的OAM模式数是有限的。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种实现多OAM模式产生的嵌套双臂平面螺旋天线，通过单一结构可在一个频点产生携带不同轨道角动量模式的涡旋电磁波，以克服一种结构只能产生单一模式的具有轨道角动量的涡旋电磁波的缺陷，同时本专利技术天线采用馈电网络简单，克服了馈电结构复杂的缺点，以及达到降低成本的目的。本专利技术的技术方案：一种实现多OAM模式产生的嵌套双臂平面螺旋天线，所述的天线结构分为三层，第一层为微带螺旋a结构，第二层为金属反射板，第三层为该天线的馈电网络c部分，馈电网络c的输出端口穿过金属反射板与第一层的微带螺旋a相连接；所述的微带螺旋a结构包括顶层介质板、印制在顶层介质板顶部的三个双臂螺旋线e、f、g、印制在顶层介质板底部的金属圆盘h和金属圆环i、j；所述的馈电网络c包括顶部的金属地n、底部的三个一分二的功分器k、l、m；三个功分器k、l、m的输出端口分别对应三个双臂螺旋线e、f、g；其中，第一层的顶部的双臂螺旋线通过同轴线的内导体与第三层的底部的功分器相连接，第一层底部的金属圆盘h通过同轴线的外导体穿过金属反射板，与第三层的顶部的金属地n相连接。进一步的，所述的金属反射板为铝板b；所述的铝板b的厚度为2mm。再进一步的，所述的同轴线为同轴探针d，铝板b上打了6个小孔，同轴探针d将第一层的微带螺旋a与第三层的馈电网络c穿过铝板b连接起来。进一步的，三个双臂螺旋线e、f、g同心布置，双臂螺旋线e位于内圈、双臂螺旋线f位于中间圈、双臂螺旋线g位于外圈，每个双臂螺旋线由两条螺旋线构成，两条螺旋线极坐标方程分别为式中，a为螺旋线变化率，N为螺旋圈数，r0为螺旋线起始半径。进一步的，金属圆盘h和金属圆环i、j同心布置，金属圆盘h的直径为d1＝26mm，金属圆环i外圈直径为d2＝38mm、金属圆环j外圈直径为d3＝66mm，金属圆环i的宽度为W2＝8mm、金属圆环j为W3＝10mm，金属圆盘h和两个金属圆环i本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种实现多OAM模式产生的嵌套双臂平面螺旋天线，其特征在于，所述的天线结构分为三层，第一层为微带螺旋(a)结构，第二层为金属反射板，第三层为该天线的馈电网络(c)部分，馈电网络(c)的输出端口穿过金属反射板与第一层的微带螺旋(a)相连接；所述的微带螺旋(a)结构包括顶层介质板、印制在顶层介质板顶部的三个双臂螺旋线(e、f、g)、印制在顶层介质板底部的金属圆盘(h)和金属圆环(i、j)；所述的馈电网络(c)包括顶部的金属地(n)、底部的三个一分二的功分器(k、l、m)；三个功分器(k、l、m)的输出端口分别对应三个双臂螺旋线(e、f、g)；其中，第一层的顶部的双臂螺旋线通过同轴线的内导体与第三层的底部的功分器相连接，第一层底部的金属圆盘(h)通过同轴线的外导体穿过金属反射板，与第三层的顶部的金属地(n)相连接。

【技术特征摘要】
1.一种实现多OAM模式产生的嵌套双臂平面螺旋天线，其特征在于，所述的天线结构分为三层，第一层为微带螺旋(a)结构，第二层为金属反射板，第三层为该天线的馈电网络(c)部分，馈电网络(c)的输出端口穿过金属反射板与第一层的微带螺旋(a)相连接；所述的微带螺旋(a)结构包括顶层介质板、印制在顶层介质板顶部的三个双臂螺旋线(e、f、g)、印制在顶层介质板底部的金属圆盘(h)和金属圆环(i、j)；所述的馈电网络(c)包括顶部的金属地(n)、底部的三个一分二的功分器(k、l、m)；三个功分器(k、l、m)的输出端口分别对应三个双臂螺旋线(e、f、g)；其中，第一层的顶部的双臂螺旋线通过同轴线的内导体与第三层的底部的功分器相连接，第一层底部的金属圆盘(h)通过同轴线的外导体穿过金属反射板，与第三层的顶部的金属地(n)相连接。2.根据权利要求1所述的一种实现多OAM模式产生的嵌套双臂平面螺旋天线，其特征在于，所述的金属反射板为铝板(b)；所述的铝板(b)的厚度为2mm。3.根据权利要求2所述的一种实现多OAM模式产生的嵌套双臂平面螺旋天线，其特征在于，所述的同轴线为同轴探针(d)，铝板(b)上打了6个小孔，同轴探针(d)将第一层的微带螺旋(a)与第三层的馈电网络(c)穿过铝板(b)连接起来。4.根据权利要求1所述的一种实现多OAM模式产生的嵌套双臂平面螺旋天线，其特征在于，三个双臂螺旋线(e、f、g)同心布置，双臂螺旋线(e)位于内圈、双臂螺旋线(f)位于中间圈、双臂螺旋线(g)位于外圈，每个双...

【专利技术属性】
技术研发人员：王露露，陈会永，郭忠义，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34