CN107706542A - 一种高增益的多模态双馈电涡旋电磁波天线阵 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高增益多模态涡旋电磁波天线阵，包括：半模介质集成波导行波天线阵和天线馈电网络。其特征主要在于：半模介质集成波导行波天线阵以双馈型半模介质集成波导行波天线为天线单元，组成4×4天线阵，以提高增益。半模介质集成波导行波天线阵以双馈型半模介质集成波导行波天线为天线单元，组成4×4天线阵，以提高增益。双馈型半模介质集成波导行波天线能在一个天线单元中连接两种馈电网络，以形成l＝1和l＝‑1的涡旋电磁波模态。本发明结构具有高增益、多模态和结构简单的特点。

Description

一种高增益的多模态双馈电涡旋电磁波天线阵
技术领域
本发明涉及一种高增益的多模态双馈电涡旋电磁波天线阵，具体涉及一种提高频率利用率的涡旋电磁波天线。
背景技术
随着无线通信技术的快速法阵，移动互联网呈现***式发展趋势。为了满足日益增长的移动数据业务需求，提高高速、高效的新一代无线通信技术，如何更大程度的提升频谱利用率是人们关注的焦点。在现有的极化复用、正交频分复用等复用技术日趋成熟时，而轨道角动量技术作为一种服用技术成为无线通信领域的一个研究热点。
携带轨道角动量的涡旋电磁波服用技术能将载波所携带的轨道角动量模式作为调制参数，利用轨道角动量模式内在的正交性，将多路信号加载到轨道角动量模式上，根据模式数区分不通的信道。通过这种方式，可以在相同的载频上得到多个相互独立的轨道角动量信道，因而获得更多的传输能力。这位人们在使用频谱上提供了一个新的自由度。
轨道角动量的产生和发生方式主要有相控阵天线为主。。携带轨道角动量的波束可以通过N个阵元的相控圆形阵列来产生，各阵元输入信号幅度相等且相邻阵元之间的馈电相位差为±2πl/N，其中l为所需要的轨道角动量的模态值。例如轨道角动量模式为2的相控阵天线，需要8个天线单元，馈电网络相位输出相位差需要45°。目前产生轨道角动量的馈电网络结构有基于罗曼透镜的馈电网络结构、基于环形阵列的径向功率分配器结构、基于巴特勒矩阵的馈电网络结构等。这使得涡旋电磁波天线结构复杂，尺寸较大。同时，由于轨道角动量波束在空间传输时，会有较大的扩散效果，这一扩散效果导致了天线波束增益的降低，对与无线通信极为不利。
为了更好的在微波频段应用轨道角动量，需要一种结构简单、性能可靠、成本低廉的天线来实现轨道角动量的复用。
发明内容
本发明的目的是克服多模涡旋电磁波天线每个模态都需要一组相控阵天线导致单元数增多和复杂馈电网络复杂及增益较低的缺点，提出了一种高增益的多模态双馈电涡旋电磁波天线阵。该涡旋电磁波天线阵通过双馈电结构的半模介质集成波导行波天线阵，在同一个天线阵形成双模态。该涡旋电磁波天线具有结构简单，涡旋电磁波性能稳定的特点。
本发明所述的一种高增益的多模态双馈电涡旋电磁波天线阵，包括半模介质集成波导行波天线阵和天线馈电网络。具体方案如下：
本设计也以轨道角动量模态2为例，半模介质集成波导行波天线阵以双馈型半模介质集成波导行波天线为天线单元，组成4×4天线阵。双馈型半模介质集成波导行波天线能在一个天线单元中连接两种馈电网络，以形成l＝1和l＝-1的涡旋电磁波模态。双馈半模介质集成波导行波天线具有高增益特性。
天线馈电网络以“T”型功分器为单元，通过馈电探针将2×2的4个阵元左边的馈电端口将接。然后通过二分之一波长传输线进行90°移相，使4个2×2的天线阵为单元的涡旋电磁波天线阵获得等幅同且90°相位差输入信号，形成l＝1的涡旋电磁波模态。同理，通过另外一路馈电网络将天线阵元右边的馈电端口连接，以形成-90°的相位差，获得l＝-1的涡旋电磁波模态。
本发明一种高增益的多模态双馈电涡旋电磁波天线阵在6.1～7.1GHz频率范围，天线回波损耗小于-10dB。该涡旋电磁波天线阵在l＝1模态下，波束角度为，增益为16.1dBi。在l＝-1模态下，波束角度为，增益为16.1dBi。
本发明的优点在于：
(1)本发明采用双馈型半模介质集成波导天线为单元，通过双馈结构形成l＝1和l＝-1模态的涡旋电磁波，有效地减小了涡旋电磁波天线的单元数量。
(2)本发明采用半模介质集成波导结构为天线单元，有效的提高了增益。
附图说明
图1是本发明中天线阵结构图。
图2是本发明中馈电网络结构图。
图3是本发明中的侧视图。
图4是本发明的仿真S参数图。
图5是本发明的涡旋电磁波l＝1模态的仿真增益图。
图6是本发明的涡旋电磁波l＝-1模态的仿真增益图。
图7是本发明的涡旋电磁波l＝1模态的平面电场图。
图8是本发明的涡旋电磁波l＝-1模态的平面电场图。
图中标记分别是：1、上层介质板，2、圆形辐射贴片，3、短路金属柱，4、介质集成波导环形天线的馈电端口1，5、介质集成波导环形天线的馈电端口1，6、下层介质板，7、“T”型功分器，8、二分之一波长移相器，9、功分器输出端口1，10、功分器输出端口2，11、馈电网络的馈电端口1，12、馈电网络的馈电端口1，13、金属地板，14、馈电探针。
具体实施方法
下面结合附图对本发明作具体说明。
本发明采用双馈型半模介质集成波导行波天线为天线单元。馈电网络采用两路以“T”功分器为基础的馈电网络，对天线阵进行等幅相位差为90°和-90°馈电，使其获l＝1和l＝-1模态的轨道角动量。本发明技术方案结构简单、成本低、易于加工特点。
本发明提供的一种高增益的多模态双馈电涡旋电磁波天线阵，包括半模介质集成波导行波天线阵和天线馈电网络。
介质集成波导行波天线阵采用16个双馈型半模介质集成波导行波天线为天线单元。双馈型半模介质集成波导行波天线包括介质基板1、圆形辐射贴片2、接地金属柱3、金属底板14。圆形辐射贴片2位于介质板1上方，金属地板13位于介质板1下方，接地金属柱3以圆环形结构分布在圆形辐射贴片2内，连接圆形辐射贴片2和金属地板13，形成半模介质集成波导结构。介质集成波导行波天线的两个馈电端口4、5分别位于圆形贴片下部的左右两侧，并通过馈电探针14与功分器的输出端口9、10连接。16个双馈型半模介质集成波导行波天线以4排4列的形式分布排列，如图1-3所示。
天线馈电网络以“T”型功分器7为基本单。首先采用3个“T”型功分器7通过馈电探针14将每4个双馈介质集成波导天线左侧的馈电端口连接5，形成2×2天线子阵。然后通过3个“T”功分器7和3个二分之一波长移相器使元4个2×2天线子阵获得等幅且相位相差90°的输入信号，以产生l＝1模态的涡旋电磁波。同理，另一路“T”型功分器通过馈电探针14双馈介质集成波导天线左侧的馈电端口6连接，并输入等幅且相位相差-90°的输入信号，以产生l＝-1模态的涡旋电磁波，如图2所示。
由上述技术方案可见，本发明工作在6.1～7.1GHz频段。该涡旋电磁波天线阵在l＝1模态下，波束角度为，增益为16.1dBi。在l＝-1模态下，波束角度为，增益为16.1dBi如图4-8所示。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种高增益多模态涡旋电磁波天线阵，包括：半模介质集成波导行波天线阵和天线馈电网络。其特征主要在于：半模介质集成波导行波天线阵以双馈型半模介质集成波导行波天线为天线单元，组成4×4天线阵，以提高增益。
2.一种高增益多模态涡旋电磁波天线阵，其特征主要在于：半模介质集成波导行波天线阵以双馈型半模介质集成波导行波天线为天线单元，组成4×4天线阵，以提高增益。双馈型半模介质集成波导行波天线能在一个天线单元中连接两种馈电网络，以形成l＝1和l＝-1的涡旋电磁波模态。
3.根据权利要求1所述的一种高增益多模态涡旋电磁波天线阵，其特征在于：天线馈电网络以“T”型功分器为单元，通过馈电探针将2×2的4个阵元左边的馈电端口将接。然后通过二分之一波长传输线进行90°移相，使4个2×2的天线阵为单元的涡旋电磁波天线阵获得等幅同且90°相位差输入信号，形成l＝1的涡旋电磁波模态。同理，通过另外一路馈电网络将天线阵元右边的馈电端口连接，以形成-90°的相位差，获得l＝-1的涡旋电磁波模态。
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