一种多模态轨道角动量天线制造技术

本发明专利技术公开了一种可产生多种轨道角动量模式的微带阵列天线，主要解决现有轨道角动量天线OAM(OrbitalAngularMomentum)模式较少的问题。其中包括12个单元贴片天线，介质基板，金属地板，12个馈电接线柱等。阵列将12个结构相同的六边形贴片单元沿同一圆周等距排列，利用三维电磁场仿真软件优化，确定了天线的最优结构。结果表明，天线在中心频率10.15GHz处回波损耗达到

【技术实现步骤摘要】
一种多模态轨道角动量天线


[0001]本专利技术属于天线
，具体是一种多模态轨道角动量天线。

技术介绍

[0002]伴随着无线传输技术的迅速普及与更多通信设备的快速发展，未来移动数据信息将持续呈现爆炸式的增长，无线信道容量需求和频谱资源短缺的矛盾日益突出，根据多通道无线通信系统中的信道容量公式：
[0003][0004]信道容量C的大小是由信噪比SNR和系统信道矩阵H共同决定的。在未知信道特征的条件下，如果只是单方面地通过增加发射功率来提高频谱利用率，系统将不能维持正常通信。因此，人们迫切希望在无线通信领域找到一种可以增加系统容量并提高频谱利用率的通信方式。在此前提下，人们发现轨道角动量涡旋电磁波具有和频率、码序列、强度、相位、时间不同的物理自由度并且可以用于低频无线电领域。从理论上讲，在任意不同频率下，OAM涡旋电磁波都具有无数多种相互正交的模态，这种正交特性使得不同模态的涡旋波所携带的信息不会产生相互干扰。
[0005]2007年，瑞典空间物理研究所Thide等人发现使用矢量天线阵列[THIDE B,THEN H,SJOHOLM J,et al.Utilization of photon orbital angular momentum in the low
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frequency radio domain[J].Physical Review Letters,2007,99(8):877
‑
894.]给各天线单元馈以等幅不同相的信号时，相邻两个阵元间存在相等的相位差，天线可以产生具有自旋角动量和轨道角动量的电磁波，并且波束与近轴螺旋拉盖尔
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高斯激光束具有十分相似的角动量特性。2010年，Mohammadi等人对无线电OAM系统进行了综合仿真并在波束轴线已知的条件下，通过单点局部测量法明确地估计了无线电磁波束中的轨道角动量[MOHAMMADI S M,DALDORFF LK S,BERGMAN J E S,et al.Orbital angular momentum in radio
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a system study[J].IEEE Transactions onAntennas and Propagation,2010,78(2):565
‑
572.]。
[0006]2012年，Tamburini等人在麦克斯韦与洛伦兹电磁理论的对称形式基础上，利用独立于可用信道的信息进行编码的调制方案，将不同OAM编码状态的电磁波信号在同一频带上实现了442m的无线传输。[TAMBURINI F,MARI E,SPONSELLI A,et al.Encoding many channels on the same frequency through radiovorticity:first experimental test[J].New J.Phys.Vol.14,Is.3,March 2012:2
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7.]结果表明这种新的无线电通信方式允许在同一频带实现多信道同时传输数据信息。2017年，Bai X D等人提出了一种利用Rotman透镜天线阵列产生五种不同OAM模式涡旋波的方案[BAI X D,LIANG X L,LI J P,et al.Rotman Lens
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BasedCircularArray for Generating Five
‑
mode OAM Radio Beams[J].Scientific Reports,2016,6(1):734
‑
739.]。
[0007]相比其它可产生涡旋电磁波的方法，微带阵列天线具有轻便、体积小、易于共形、
易于制造等特点，更加适用于实际生产生活。此外，微带阵列天线也是如今雷达、卫星通信等场合应用最广泛的天线形式之一，是微波与射频波段产生轨道角动量涡旋电磁波的主要方式。随着关于OAM涡旋电磁波相关理论体系研究的不断深入，设计出小体积、易集成并且可以在单个频率点同时产生高质量不同OAM模式的天线结构已经成为电磁涡旋波天线未来发展的必然趋势。

技术实现思路

[0008]为了解决上述问题，本专利技术的目的是提供一种小体积、易集成并且可以在单个频率点同时产生高质量不同OAM模式的天线结构。
[0009]为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种多模态轨道角动量天线，包括12个单元贴片天线，介质基板，12个馈电接线柱，12个不敷铜通孔，金属地板；
[0010]所述12个单元贴片天线，采用六边形贴片，按照中心对称方式设置在介质基板的上表面；
[0011]所述接地板,设置在介质基板的下表面，接地板设有12个激励端口，所述12个馈电接线柱与单元贴片天线对应连接，采用同轴电缆馈电方式。
[0012]进一步，所述的单元贴片天线材质为金属铜箔，该六边形贴片的实际半径S
eff
计算公式如下：
[0013][0014]进一步，所述的介质板为环氧树脂增强材料。
[0015]进一步，所述的金属地板，设置在介质基板下层，且与介质基板的大小相同。
[0016]进一步，所述的12个单元贴片天线的激励端口，产生等幅且相邻端口间相位差为的馈电激励，馈电一圈产生的总相位差l表示OAM模式。
[0017]进一步，N个单元贴片天线组成的阵列天线，产生的涡旋波模式最大值l
max
表示为：
[0018]‑
N/2≤l
max
≤N/2
ꢀꢀꢀ
(5)
[0019]采用上述方案后实现了以下有益效果：相比于其他形状的贴片，正六边形贴片的边缘棱角变化缓慢，电流在贴片表面流过时比较平缓，在中心频点附近的频率很容易满足谐振的要求，从而展宽天线工作带宽。六边形贴片天线的谐振频率计算公式如下：
[0020][0021][0022][0023]其中f
c
表示六边形贴片中心谐振频率，波速c＝3.0
×
108m/s，h和W分别是六边形贴片的厚度和宽度，ΔL为贴片等效长度的变化量，ε
r
为介质基片的相对介电常数，ε
eff
为介质
基片有效相对介电常数。
[0024]六边形贴片的有效边长S
eff
可以表示为：
[0025][0026]正六边形贴片表面流过的电流由于贴片边缘的棱角变化缓慢而相对平缓，这样的特性能够使得天线中心频点附近的频率更加容易满足谐振的要求。设计采用的介质基板其介电常数ε
r
＝2.55，厚度为2mm，经过理论公式计算并结合三维电磁场仿真软件优化确定设计的正六边形微带阵列天线贴片长度为6.35mm。为最大限度的减少旁瓣辐射，贴片中心到介质基板中心距离设定为0.8λ。
[0027]通过电磁仿真软件优化得到工作于中心频率为10.15GHz的六边形OAM阵列天本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多模态轨道角动量天线，包括12个单元贴片天线(1)，介质基板(2)，12个馈电接线柱(3)，12个不敷铜通孔(4)，金属地板(5)，其特征在于：所述12个单元贴片天线(1)，采用六边形贴片，按照中心对称方式设置在介质基板(2)的上表面；所述接地板(5)，设置在介质基板(2)的下表面，接地板(5)设有12个激励端口，所述12个馈电接线柱(3)与单元贴片天线(1)对应连接，采用同轴电缆馈电方式。2.根据权利要求1所述的一种多模态轨道角动量天线，其特征在于：所述的单元贴片天线(1)材质为金属铜箔，该六边形贴片的有效半径S
eff
计算公式如下：3.根据权利要求1所述的一种多模态轨道角动量天线，其特征在于：所述的介质基板(2)为环氧树...

【专利技术属性】
技术研发人员：郜参观，毛鹏荣，
申请(专利权)人：伊犁师范大学，
类型：发明
国别省市：