一种宽带涡旋波天线单元及其阵列天线制造技术

本发明专利技术公开了一种宽带涡旋波天线单元及其阵列天线，包括从上至下依次布设的辐射贴片、介质基板和金属地；辐射贴片包括环形贴片和若干方环贴片；环形贴片同轴印刷在介质基板的顶面中心，且通过馈电通孔与金属地相连；若干方环贴片沿周向均匀印刷在环形贴片外侧的介质基板顶面。阵列天线包括从内至外依次同心布设的内、外层阵列。外层阵列包括16个单元，内层阵列包括8个单元。通过相移网络对每个单元的馈电相位合理调控能实现0、

【技术实现步骤摘要】
一种宽带涡旋波天线单元及其阵列天线


[0001]本专利技术涉及微波与天线
，特别是一种宽带涡旋波天线单元及其阵列天线。

技术介绍

[0002]通信技术随着时代的变革不断发展，信息传递方式的多样以及信息数据量的不断增加，信道容量趋于饱和，传统的复用手段难以从根本上提高信道容量的限值，迫切需要新的方式来提高新高容量以及频谱利用率。由于不同模态之间相互正交，同时理论上具有无线多的模态，轨道角动量(OAM)可以作为一种新的复用手段，来提高信道容量。
[0003]近年来，轨道角动量在微波领域的研究层出不穷，产生OAM的方式有很多：螺旋相位板、圆形阵列以及超表面等。螺旋相位板结构简单，但是体积较大，产生OAM模态单一，很难进行模态复用；超表面通过单元离散相位的调控，可以实现不同模态的涡旋波，同时具有较小的发散角，尽管有多种优势，但是也存在模式单一的问题；圆形阵列可以实现多模态的调控，而且结构简单，设计灵活性高，但是馈电网络复杂，涡旋波发散角相对较大，制约其进一步发展。
[0004]针对上述圆形阵列发散角大，馈电网络复杂的问题，通过设计涡旋波天线单元以及组阵结构，可以解决发散角大的问题，通过采用外置移相设备，解决馈电网络复杂的问题，同时提高单元在组阵的灵活性，进一步提高天线性能。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种宽带涡旋波天线单元及其阵列天线，该宽带涡旋波天线单元及其阵列天线具有多模态、小型化、发散角小，通过相移网络对每个单元的馈电相位进行合理调控，实现不同模态的涡旋波进行任意切换。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：
[0007]一种宽带涡旋波天线单元，包括从上至下依次布设的辐射贴片、介质基板和金属地。
[0008]辐射贴片包括环形贴片和若干个方环贴片。
[0009]环形贴片同轴印刷在介质基板的顶面中心，且环形贴片通过馈电通孔与金属地相连。
[0010]若干个方环贴片沿周向均匀印刷在环形贴片外侧的介质基板顶面；每个方环贴片与环形贴片之间均具有径向间隙。
[0011]每个方环贴片的内边长不超过方环贴片外边长的十分之一。
[0012]设环形贴片的外半径为r2，内半径为r3，方环贴片的外边长为a，则r3＜a＜r2。
[0013]介质基板的半径为r1＝8mm，则r2＝4mm，r3＝2mm，a＝3.3mm，方环贴片的内边长为0.3mm。
[0014]介质基板的厚度为1mm，介电常数为3.55。
[0015]方环贴片的数量为8个。
[0016]一种具有宽带涡旋波天线单元的阵列天线，包括从内至外依次同心布设的内层阵列和外层阵列。
[0017]内层阵列包括沿周向均匀布设且呈中心对称分布的n个宽带涡旋波天线单元。
[0018]外层阵列包括沿周向均匀布设且呈中心对称分布的kn个宽带涡旋波天线单元；其中，n≥1，k≥2。
[0019]馈电通孔均位于对应宽带涡旋波天线单元中心与阵列天线中心O的连线上，且靠近阵列天线中心O。
[0020]内层阵列和外层阵列均能产生独立的OAM模态；通过增加内层阵列和外层阵列中的宽带涡旋波天线单元数量，能够增加对应OAM模态产生的数量。
[0021]n＝8，k＝2。
[0022]外层阵列能独立产生0、
±
1、
±
2、
±
3、
±
4，共计九种模态的轨道角动量；每个宽带涡旋波天线单元的相位均能独立调控，通过设置外层阵列中宽带涡旋波天线单元间不同的初始相位差，实现九种模态轨道角动量的动态调控。
[0023]内层阵列能独立产生0、
±
1、
±
2，共计五种模态的轨道角动量；通过设置内层阵列中宽带涡旋波天线单元间不同的初始相位差，实现五种模态轨道角动量的动态调控。
[0024]外层阵列中每个宽带涡旋波天线单元的中心距离阵列天线圆心的距离均为45mm；内层阵列中每个宽带涡旋波天线单元的中心距离阵列天线圆心的距离均为22mm。
[0025]阵列天线的工作频带为16
‑
21GHz。
[0026]本专利技术具有如下有益效果：
[0027]1、工作频带能在16
‑
21GHz，且具有多模态、小型化、发散角小的优点。
[0028]2、通过改变单元之间的相位差，可以实现0、
±
1、
±
2、
±
3、
±
4的九种模态的轨道角动量，同时在整个频带范围能均具有较好的涡旋特性。
[0029]3、通过改变单元的波束指向，有效降低了涡旋波束的旁瓣电平，进一步提高天线的性能。
[0030]4、单元之间更加紧凑，相对于传统圆形阵列天线有更小的尺寸，通过改变单元的波束指向来提高圆形阵列天线涡旋波束的发散性能，同时内外两层阵列结构在实现多模态复用与信号收发方面有更明显的优势。
[0031]5、本专利技术为研究圆形阵列天线多模态以及聚集波束等提供研究思路与方法。
附图说明
[0032]图1为本专利技术宽带涡旋波天线单元三维结构示意图。
[0033]图2为本专利技术宽带涡旋波天线单元主视图。
[0034]图3为本专利技术宽带涡旋波天线单元反射性能曲线。
[0035]图4为本专利技术宽带涡旋波天线单元不同频率的归一化辐射方向图。
[0036]图5为本专利技术宽带涡旋波天线单元增益曲线。
[0037]图6为本专利技术宽带涡旋波天线单元相对坐标下的归一化辐射方向图。
[0038]图7为本专利技术涡旋波阵列天线原始结构示意图。
[0039]图8为本专利技术涡旋波阵列天线单元角度改变结构示意图。
[0040]图9为本专利技术涡旋波阵列天线在观测面上模态为0的相位和幅度示意图。
[0041]图10为本专利技术涡旋波阵列天线在观测面上模态为+1的相位和幅度示意图。
[0042]图11为本专利技术涡旋波阵列天线在观测面上模态为+2的相位和幅度示意图。
[0043]图12为本专利技术涡旋波阵列天线在观测面上模态为+3的相位和幅度示意图。
[0044]图13为本专利技术涡旋波阵列天线在观测面上模态为+4的相位和幅度示意图。
[0045]图14为本专利技术涡旋波阵列天线模态为0的归一化辐射方向图。
[0046]图15为本专利技术涡旋波阵列天线模态为+1的归一化辐射方向图。
[0047]图16为本专利技术涡旋波阵列天线模态为+2的归一化辐射方向图。
[0048]图17为本专利技术涡旋波阵列天线模态为+3的归一化辐射方向图。
[0049]图18为本专利技术涡旋波阵列天线模态为+4的归一化辐射方向图。
[0050]图19为本专利技术涡旋波阵列天线在16.5GHz时单元不同旋转角度的归一化辐射方向图。
[0051]图20为本专利技术涡旋本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种宽带涡旋波天线单元，其特征在于：包括从上至下依次布设的辐射贴片、介质基板和金属地；辐射贴片包括环形贴片和若干个方环贴片；环形贴片同轴印刷在介质基板的顶面中心，且环形贴片通过馈电通孔与金属地相连；若干个方环贴片沿周向均匀印刷在环形贴片外侧的介质基板顶面；每个方环贴片与环形贴片之间均具有径向间隙；每个方环贴片的内边长不超过方环贴片外边长的十分之一。2.根据权利要求1所述的宽带涡旋波天线单元，其特征在于：设环形贴片的外半径为r2，内半径为r3，方环贴片的外边长为a，则r3＜a＜r2。3.根据权利要求2所述的宽带涡旋波天线单元，其特征在于：介质基板的半径为r1=8mm，则r2=4mm，r3=2mm，a=3.3mm，方环贴片的内边长为0.3mm；介质基板的厚度为1mm，介电常数为3.55。4.根据权利要求1或2所述的宽带涡旋波天线单元，其特征在于：方环贴片的数量为8个。5.一种具有宽带涡旋波天线单元的阵列天线，其特征在于：包括从内至外依次同心布设的内层阵列和外层阵列；内层阵列包括沿周向均匀布设且呈中心对称分布的n个宽带涡旋波天线单元；外层阵列包括沿周向均匀布设且呈中心对称分布的kn个宽带涡旋波天线单元；其中，n≥1，k≥2；馈电通孔均位于对应宽带涡旋波天线单元中心与阵列天线中心O的连线上，且靠近阵列天线中心O。6.根据权利要求5所述的具有宽带涡旋波天线单元的阵列天线，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：李森，蔡洋，曹玉凡，马宏，吴涛，常硕，司一童，齐健成，
申请(专利权)人：中国人民解放军战略支援部队航天工程大学，
类型：发明
国别省市：