极化模态复合捷变式轨道角动量天线制造技术

本发明专利技术公开的极化模态复合捷变式轨道角动量天线，包括由下至上依次设置的第一介质基板及第二介质基板，第二介质基板上方设置有第三介质基板；第一介质基板的上表面印制有与其形状大小相同的正方形的金属地板，第二介质基板的上表面印制有四个形状大小相同的圆环形状的金属辐射片；第三介质基板包括有在同一平面上设置的四个形状大小相同的圆形的第三介质基板单元；每个第三介质基板单元的上表面均印制有金属耦合贴片；第二介质基板的上表面印刷有金属馈电网络；四个金属辐射片均与金属馈电网络相连接；还包括SMA端口。该轨道角动量天线，能实现垂直、水平两种极化方式与两种模态的快速自由组合调控。

Polarization mode compound agile orbit angular momentum antenna

【技术实现步骤摘要】
极化模态复合捷变式轨道角动量天线
本专利技术属于无线通信
，具体涉及一种极化模态复合捷变式轨道角动量天线。
技术介绍
轨道角动量(OAM)电磁波因其电磁波具有螺旋相位因子而携带有轨道角动量，其拓扑荷数也称模态数成为了一种新型的复用物理维度。轨道角动量技术最早在光学中被发现并得到应用，其特殊的相位结构和偏振结构被广泛应用在光通信、粒子操控和光成像等领域，如利用轨道角动量光束的暗中空特性实现微观粒子的操纵，捕获和吸收等和矢量轨道角动量光束独特的聚焦特性实现激光加工和材料处理等。轨道角动量电磁波拓扑电荷(模态)被实验证实后，对这类型电磁波的调控包括除了对振幅、相位、极化及频率等电磁波波特性的基本参量的调控外，还引入了对模态调控这一新的物理维度，调控的弹性也进一步增强。可以通过任意的调节OAM模态数目和状态，提供更多的OAM波束的状态，这在一定程度上为未来的无线电磁波通信提供了更多的机会和可能性。天线作为电磁波的产生器在不同模态的OAM波束的产生与调控上起到关键的作用。一般情况下带有调控功能的OAM天线可分为两种，一种是机械调控，一种是电调控，也称为捷变。电调控的优势是调控速度快，精度高，能有效降低无线通信系统的成本和重量，更易于实现通信系统的多功能。缺点是调控的结构往往会随着调控总数的升高而变复杂，降低集成度，削弱这类型天线的使用广度。在2018年Y.Y.Wang等人采用耦合馈电的圆形贴片天线作为单元天线，采用多级具有移相功分功能的馈电网络结构及对PIN射频开关进行编码，实现了多模态可重构轨道角动量波束的激励。在2018年L.Kang等人基于八单元均匀圆形天线阵采用赋予初始相位的方式简化了多模态调控时的馈网结构。2018年L.Li等人通过机械调节的方法，以平面螺旋天线作为单元建立圆极化UCA激励出多模态可调控OAM电磁涡旋波束。但是上述设计在一定程度上存在天线馈网结构复杂，调控参数较为单一，机械调控速度慢，精度低等问题。本专利技术针对电调控轨道角动量天线存在的问题，提出一种新型的结构，使得设计天线同时具备两个方向上的线极化与不同模态的复合调控，同时本专利技术设计馈电网络结构简单、对称，所以具有良好的集成度与电磁辐射特性，采用电调控的方式，具有良好的调节精度和速度。
技术实现思路
本专利技术的目的是提一种供极化模态复合捷变式轨道角动量天线，能实现垂直、水平两种极化方式与两种模态的快速自由组合调控，并保持了非常简单、对称的物理结构。本专利技术所采用的技术方案是，极化模态复合捷变式轨道角动量天线，包括由下至上依次设置的第一介质基板及第二介质基板，第二介质基板上方设置有第三介质基板，第三介质基板与所述第二介质基板之间间隔有空气介质层；第一介质基板与第二介质基板的形状均为大小相同的正方形；第一介质基板的上表面印制有与其形状大小相同的正方形的金属地板，第二介质基板的上表面印制有四个形状大小相同的圆环形状的金属辐射片，四个金属辐射片均匀分布在同一圆周上；第三介质基板包括有在同一平面上设置的四个形状大小相同的圆形的第三介质基板单元，四个第三介质基板单元分别位于四个金属辐射片的正上方，并与金属辐射片的圆心重合；每个第三介质基板单元的上表面均印制有同样半径的圆形的金属耦合贴片；每个第三介质基板单元均由四个介质螺柱进行固定；第二介质基板的上表面印刷有金属馈电网络；四个金属辐射片均与金属馈电网络相连接；还包括设置在轨道角动量天线中心处的SMA端口，SMA端口的内芯接金属馈电网络中心点，SMA端口的外导体接金属地板。本专利技术的特征还在于，金属馈电网络包括有两个第一级T型单刀双掷开关、四个第二级T型单刀双掷开关及四个移相功分器；第一级T型单刀双掷开关包括有第一主传输线及设置在第一主传输线一端端部左、右两侧的两个第一分支传输线；两个第一分支传输线与第一主传输线端部之间存在间隙，一个间隙设置有一个PIN射频开关；两个第一级T型单刀双掷开关呈180°设置，两个第一级T型单刀双掷开关的第一主传输线远离第一分支传输线的一端相对设置，且均与SMA端口的内芯连接；两个第一级T型单刀双掷开关中的每个第一分支传输线远离第一主传输线的一侧均设置有一个第二级T型单刀双掷开关；第二级T型单刀双掷开关包括有第二主传输线及设置在第二主传输线一端端部左、右两侧的两个第二分支传输线；两个第二分支传输线与第二主传输线端部之间存在间隙，一个间隙设置有一个PIN射频开关；每个第二主传输线远离第二分支传输线的一端与第一分支传输线之间存在间隙，一个间隙设置有一个隔直电容；移相功分器包括一段水平或者垂直设置的微带传输线，每个微带传输线与相邻的且分别属于两个不同的第二级T型单刀双掷开关的第二分支传输线之间存在间隙，一个间隙设置有一个PIN射频开关；每个微带传输线的两个输出端口分别与两个辐射贴片相连接；相邻两个移相功分器所提供的相位差为±90°。第一介质基板采用相对介电常数为4.4、厚度为0.8mm的正方形FR4介质材料，边长为170mm。第二介质基板，采用相对介电常数为3.5、厚度为1.0mm的正方形F4B介质材料，边长为170mm。辐射贴片的内径r1＝6.9mm，外径r2＝14.2mm，辐射贴片的圆心距离金属馈电网络中心距离为r4＝60mm。第三介质基板单元为半径为r3＝26.9mm，厚度为1mm的FR4介质材料构成。空气介质层的高度h＝5mm。SMA端口接头特性阻抗为50欧姆。本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术角动量天线基于均匀圆形阵列，在同一天线口径下分别产生四种状态：OAM模态值为+1的水平极化电磁波；OAM模态值为+1的垂直极化电磁波；OAM模态值为-1的水平极化电磁波；OAM模态值为-1的垂直极化电磁波。实现了线极化与OAM模态复合调控特性。(2)本专利技术角动量天线中设置的馈电网络结构完全对称，馈电网络中采用部分传输线共用的设计方法大大减小PIN射频开关的数量，从而降低了插入损耗与器件损耗。同时，对称的馈网结构使得天线辐射特性在不同状态下展现出良好的一致性。(3)本专利技术角动量天线具有很高的集成度与一体化程度，易于与其他设备进行融合安装。捷变式电调控无需辅助机械装置，切换速度快，调节精度高。附图说明图1是本专利技术实施例提供的极化模态复合捷变式轨道角动量天线的整体结构示意图；图2是本专利技术实施例提供的极化模态复合捷变式轨道角动量天线侧示图；图3是本专利技术实施例提供的极化模态复合捷变式轨道角动量天线馈电网络结构示意图；图4是本专利技术实施例提供的极化模态复合捷变式轨道角动量天线在状态一和状态二时的反射系数；图5是本专利技术实施例提供的极化模态复合捷变式轨道角动量天线在状态三和状态四的反射系数；图6是本专利技术实施例提供的极化模态复合捷变式轨道角动量天线在状态一的近场电场分布；图7是本专利技术实施例提供的极化模态复合捷变式轨道角动量天线在状态二的近场电场分布；图8是本专利技术实施例提供的极化模态复合捷变式本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.极化模态复合捷变式轨道角动量天线，其特征在于，包括由下至上依次设置的第一介质基板(1)及第二介质基板(2)，所述第二介质基板(2)上方设置有第三介质基板，所述第三介质基板与所述第二介质基板(2)之间间隔有空气介质层；所述第一介质基板(1)与第二介质基板(2)的形状均为大小相同的正方形；所述第一介质基板(1)的上表面印制有与其形状大小相同的正方形的金属地板(4)，所述第二介质基板(2)的上表面印制有四个形状大小相同的圆环形状的金属辐射片(5)，四个所述金属辐射片(5)均匀分布在同一圆周上；所述第三介质基板包括有在同一平面上设置的四个形状大小相同的圆形的第三介质基板单元(3)，四个第三介质基板单元(3)分别位于四个金属辐射片(5)的正上方，并与金属辐射片(5)的圆心重合；每个所述第三介质基板单元(3)的上表面均印制有同样半径的圆形的金属耦合贴片(6)；每个第三介质基板单元(3)均由四个介质螺柱(9)进行固定；所述第二介质基板(2)的上表面印刷有金属馈电网络(7)；四个金属辐射片(5)均与金属馈电网络(7)相连接；/n还包括设置在所述角动量天线中心处的SMA端口(10)，所述SMA端口(10)的内芯接金属馈电网络(7)中心点，SMA端口(10)的外导体接金属地板(4)。/n...

【技术特征摘要】
1.极化模态复合捷变式轨道角动量天线，其特征在于，包括由下至上依次设置的第一介质基板(1)及第二介质基板(2)，所述第二介质基板(2)上方设置有第三介质基板，所述第三介质基板与所述第二介质基板(2)之间间隔有空气介质层；所述第一介质基板(1)与第二介质基板(2)的形状均为大小相同的正方形；所述第一介质基板(1)的上表面印制有与其形状大小相同的正方形的金属地板(4)，所述第二介质基板(2)的上表面印制有四个形状大小相同的圆环形状的金属辐射片(5)，四个所述金属辐射片(5)均匀分布在同一圆周上；所述第三介质基板包括有在同一平面上设置的四个形状大小相同的圆形的第三介质基板单元(3)，四个第三介质基板单元(3)分别位于四个金属辐射片(5)的正上方，并与金属辐射片(5)的圆心重合；每个所述第三介质基板单元(3)的上表面均印制有同样半径的圆形的金属耦合贴片(6)；每个第三介质基板单元(3)均由四个介质螺柱(9)进行固定；所述第二介质基板(2)的上表面印刷有金属馈电网络(7)；四个金属辐射片(5)均与金属馈电网络(7)相连接；
还包括设置在所述角动量天线中心处的SMA端口(10)，所述SMA端口(10)的内芯接金属馈电网络(7)中心点，SMA端口(10)的外导体接金属地板(4)。


2.根据权利要求1所述的极化模态复合捷变式轨道角动量天线，其特征在于，所述金属馈电网络(7)包括有两个第一级T型单刀双掷开关(71)、四个第二级T型单刀双掷开关(72)及四个移相功分器(73)；
所述第一级T型单刀双掷开关(71)包括有第一主传输线及设置在第一主传输线一端端部左、右两侧的两个第一分支传输线；两个第一分支传输线与第一主传输线端部之间存在间隙，一个间隙设置有一个PIN射频开关(8)；
两个第一级T型单刀双掷开关(71)呈180°设置，两个第一级T型单刀双掷开关(71)的第一主传输线远离第一分支传输线的一端相对设置，且均与SMA端口(10)的内芯连接；
两个第一级T型单刀双掷开关(71)中的每个第一分支传输线远离第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晖，康乐，张雯，董可，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61