CN108321530B - 基于单个介质谐振器的oam无线电波产生装置 - Google Patents

基于单个介质谐振器的oam无线电波产生装置 Download PDF

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CN108321530B CN201810064288.7A CN201810064288A CN108321530B CN 108321530 B CN108321530 B CN 108321530B CN 201810064288 A CN201810064288 A CN 201810064288A CN 108321530 B CN108321530 B CN 108321530B
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Abstract

本发明公开了一种基于单个介质谐振器的OAM无线电波产生装置，包括介质谐振器、N条馈电线路、介质基板和接地板；介质谐振器和馈电线路布置在介质基板的一面，介质基板的另一面贴合接地板；馈电线路的一端与介质谐振器连接，馈电线路上的任意点均可作为信号输入端且每条馈电线路上均输入幅度相等、等相位差的信号。本发明巧妙的使用单个介质谐振器和N个馈电点来产生OAM无线电波，通过等相位差馈电可以在同一频段产生不同模式数的OAM无线电波，且不需要复杂的天线阵列，装置结构简单，而且使得天线的尺寸能够有效缩小，适用性极好。

Description

基于单个介质谐振器的OAM无线电波产生装置
技术领域
本发明具体涉及一种基于单个介质谐振器的OAM无线电波产生装置。
背景技术
近年来，轨道角动量(OAM)无线电波引起了人们的广泛关注，因为它显示了在同一频率下同时传输多种信号的潜力，可用于提高频谱效率，从而提高信道容量。OAM无线电波的利用最初集中在光学区域，最近被提出在较低频率的无线电通信和雷达成像。
产生OAM无线电波的方法通常有两类。第一类是由平面波变换产生的OAM无线电波，如可变螺旋相位板；第二类由相控均匀圆阵产生OAM无线电波，相控均匀圆阵即：N个天线单元排成圆形阵列，馈送相同幅度的信号，但是天线单元之间存在连续的相位延迟
Figure BDA0001556264450000011
其中整数l是OAM模式数。第一类方法使用可变螺旋相位板变换平面波，这类通过反射产生OAM无线电波的装置要求反射器的轴线与电磁波波束中心绝对平行；第二类方法需要N个天线单元排列，结构比较复杂。
介电谐振器(DR)是一种具有高相对介电常数的低损耗材料，应用DR作为辐射器的天线***被称为介质谐振器天线(DRA)。DRA有尺寸小、低损耗和宽频带的特点。可用介质谐振器作为电磁装置设计产生OAM无线电波，例如DRA阵列产生OAM无线电波，但是需要多个介质谐振器排阵，如此天线尺寸较大，且结构比较复杂；再如单个介质谐振器在不同频段实现特定模式数的OAM无线电波，这种设计解决了天线阵列的不足之处，但是只能在一个频段实现一种模式数的OAM无线电波，这限制了其应用的灵活性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种不需要复杂的天线阵列，而且结构简单可靠的基于单个介质谐振器的OAM无线电波产生装置。
本发明提供的这种基于单个介质谐振器的OAM无线电波产生装置，包括介质谐振器、N条馈电线路、介质基板和接地板；介质谐振器和N条馈电线路布置在介质基板的一面，介质基板的另一面与接地板贴合；N条馈电线路的一端均各自与介质谐振器连接，馈电线路上的任意点均可作为信号输入端且每条馈电线路上均输入幅度相等、等相位差的信号；N为不小于4的自然数。
所述的介质谐振器布置在介质基板的几何中心位置。
所述的N条馈电线路在介质基板上成圆形排列。
所述的馈电线路为微带线。
所述的馈电线路输入幅度相等、等相位差的信号，具体为馈电线路按照顺时针或逆时针顺序依次编号，且第i条馈电线路的输入信号与第i-1馈电线路的输入信号的幅度相等，相位差为
Figure BDA0001556264450000023
若馈电线路按照顺时针依次编号，则
Figure BDA0001556264450000021
馈电线路按照逆时针顺序依次编号，则
Figure BDA0001556264450000022
i为自然数且N≧i≧2，l为OAM无线电波的模式数。
所述的介质谐振器为单个圆柱体介质谐振器，介质基板为圆形介质基板，接地板为圆形接地板；介质谐振器和馈电线路均布置在介质基板的一面上，介质基板的另一面与接地板贴合；圆柱体介质谐振器底面的圆心与圆形介质基板的圆心重合；馈电线路的一端与介质谐振器连接，馈电线路的另一端的端点在同一个圆上且该圆的圆心与介质基板的圆心重合；馈电线路上的馈电点在同一个圆上且该圆的圆心与介质基板的圆心重合。
所述的馈电线路为N条微带线，且微带线沿圆形介质基板的半径方向布置。
本发明提供的这种基于单个介质谐振器的OAM无线电波产生装置，巧妙的使用单个介质谐振器和N个馈电点来产生OAM无线电波，通过等相位差馈电可以在同一频段产生不同模式数的OAM无线电波，且不需要复杂的天线阵列，装置结构简单，而且使得天线的尺寸能够有效缩小，适用性极好。
附图说明
图1为本发明的侧视总体示意图。
图2为本发明的实施例1的俯视示意图。
图3为垂直于实施例1所示天线在天线传播方向上的某一平面，模式l＝1的场相位图。
图4为垂直于实施例1所示天线在天线传播方向上的某一平面，模式l＝-2的场相位图。
图5为本发明的实施例2的俯视示意图。
图6为本发明的实施例3的俯视示意图。
图7为本发明的实施例4的俯视示意图。
图8为本发明的实施例5的俯视示意图。
具体实施方式
如图1所示为发明的侧视总体示意图：本发明提供的这种基于单个介质谐振器的OAM无线电波产生装置，包括介质谐振器1、N条馈电线路2、介质基板3和接地板4；介质谐振器和N条馈电线路布置在介质基板的一面，介质基板的另一面与接地板贴合；N条馈电线路的一端均各自与介质谐振器连接，N条馈电线路的一端均各自与介质谐振器连接，馈电线路上的任意点均可作为信号输入端且每条馈电线路上均输入幅度相等、等相位差的信号；N为不小于4的自然数。
所述的介质谐振器布置在介质基板的几何中心位置。所述的N条馈电线路在介质基板上成圆形排列。所述的馈电线路为微带线。所述的馈电线路输入幅度相等、等相位差的信号，具体为馈电线路按照顺时针或逆时针顺序依次编号，且第i条馈电线路的输入信号与第i-1馈电线路的输入信号的幅度相等，相位差为
Figure BDA0001556264450000041
若馈电线路按照顺时针依次编号，则
Figure BDA0001556264450000042
馈电线路按照逆时针顺序依次编号，
Figure BDA0001556264450000043
i为自然数且N≧i≧2，l为OAM无线电波的模式数。
如图2所示为本发明的实施例1的俯视示意图：在实施例1中，介质谐振器为单个圆柱体介质谐振器，介质基板为圆形介质基板，接地板为圆形接地板；介质谐振器和馈电线路均布置在介质基板的一面上，介质基板的另一面与接地板贴合；圆柱体介质谐振器底面的圆心与圆形介质基板的圆心重合；馈电线路的一端与介质谐振器连接，馈电线路的另一端的端点在同一个圆上且该圆的圆心与介质基板的圆心重合；馈电线路为N条(实施例1为8条)微带线，且微带线沿圆形介质基板的半径方向布置。
给实施例1的8个馈电口馈送等幅度、等相位差
Figure BDA0001556264450000044
的信号即可产生OAM无线电波，若给实施例1中的馈电线顺时针编号，则
Figure BDA0001556264450000045
l为OAM无线电波的模式数。如产生l＝1的OAM无线电波，则给8个馈电点馈送相位差
Figure BDA0001556264450000046
Figure BDA0001556264450000047
的相位延迟；如产生l＝-2的OAM无线电波，则给8个馈电点馈送相位差
Figure BDA0001556264450000048
的相位延迟。
如图3～图4所示是实施例1的产生OAM无线电波模式数为1和-2时的场相位图，其中图3所示是当OAM无线电波模式数为1时，垂直于实施例1所示天线传播方向上的某一平面场相位图；如图4是当OAM无线电波模式数为-2时，垂直于实施例1所示天线传播方向上的某一平面场相位图。
在实施例1中，介质谐振器的介电常数为10.2，介质基板的介电常数为6.15。
实施例1仅为一种较为常见和容易想到的实施例。类似的，经过仿真实验，图5～图8所示的基于单个介质谐振器的OAM无线电波产生装置，只要在装置的馈电口(信号输入口)馈送等幅度、等相位差
Figure BDA0001556264450000051
的信号即可产生OAM无线电波。
图5为本发明的实施例2的俯视示意图。图6为本发明的实施例3的俯视示意图。图7为本发明的实施例4的俯视示意图。图8为本发明的实施例5的俯视示意图。
在图5中，该装置的馈电线路进行了改动。实施例1中，馈电线路均为圆形介质基板的半径方向，但是实施例2的馈电线路，是在实施例1的基础上，馈电线路与介质谐振器的连接处统一向顺时针方向旋转了一个角度，从而得到了如图5所示的实施例2的俯视示意图。如图6所示，是在实施例1的基础上，馈电线路与介质谐振器的连接处统一向逆时针方向旋转了一个角度，从而得到了如图6所示的实施例3的俯视示意图。经过仿真研究，在实施例2和3的装置中，只要在8个馈电口馈送等幅度、等相位差
Figure BDA0001556264450000052
的信号，即可产生OAM无线电波，其中
Figure BDA0001556264450000053
l为OAM无线电波的模式数。
在图7中，该装置的馈电线路进行了改动。实施例1中，馈电线路均为圆形介质基板的半径方向，但是实施例4的馈电线路，是在实施例1的基础上，馈电线路在介质基板的边缘处统一向顺时针方向旋转了一个角度，从而得到了如图7所示的实施例4的俯视示意图。如图8所示，是在实施例1的基础上，馈电线路在介质基板的边缘处统一向逆时针方向旋转了一个角度，从而得到了如图8所示的实施例5的俯视示意图。经过仿真研究，在实施例4和5的装置中，只要在8个馈电口馈送等幅度、等相位差
Figure BDA0001556264450000061
的信号，即可产生OAM无线电波，其中
Figure BDA0001556264450000062
l为OAM无线电波的模式数。
上述的馈电口，并非一定为馈电线路在介质基板的边缘处，即馈电线路在介质基板的边缘处并非为唯一的馈电口(信号输入端)；在馈电线路上的任何一处均可进行信号输入，只需要保证信号到达介质谐振器时，各个馈电线路上的信号的幅度相等且等相位差即可。

Claims (4)

1.一种基于单个介质谐振器的OAM无线电波产生装置，其特征在于包括介质谐振器、N条馈电线路、介质基板和接地板；介质谐振器和N条馈电线路布置在介质基板的一面，介质基板的另一面与接地板贴合；N条馈电线路的一端均各自与介质谐振器连接，馈电线路上的任意点均可作为信号输入端且每条馈电线路上均输入幅度相等、等相位差的信号；N为不小于4的自然数；N条馈电线路在介质基板上成圆形排列；馈电线路按照顺时针或逆时针顺序依次编号，且第i条馈电线路的输入信号与第i-1馈电线路的输入信号的幅度相等，相位差为Δφ′；若馈电线路按照顺时针依次编号，则Δφ′=-2πl/N；馈电线路按照逆时针顺序依次编号，则Δφ′=2πl/N；i为自然数且N≧i≧2，l为OAM无线电波的模式数；介质谐振器为单个圆柱体介质谐振器，介质基板为圆形介质基板，接地板为圆形接地板；圆柱体介质谐振器底面的圆心与圆形介质基板的圆心重合；馈电线路的一端与介质谐振器连接，馈电线路的另一端的端点在同一个圆上且该圆的圆心与介质基板的圆心重合；馈电线路上的馈电点在同一个圆上且该圆的圆心与介质基板的圆心重合。
2.根据权利要求1所述的基于单个介质谐振器的OAM无线电波产生装置，其特征在于所述的介质谐振器布置在介质基板的几何中心位置。
3.根据权利要求2所述的基于单个介质谐振器的OAM无线电波产生装置，其特征在于所述的馈电线路为微带线。
4.根据权利要求3所述的基于单个介质谐振器的OAM无线电波产生装置，其特征在于所述的馈电线路为N条微带线，且微带线沿圆形介质基板的半径方向布置。
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