CN113097729A - 基于三角形半模结构的七模态oam发射天线及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于三角形半模结构的七模态OAM发射天线及其设计方法，该方法提出一种均匀旋转阵列基础上结合高阶模式的半模谐振模式的OAM天线，高阶模式源于基片集成波导平行四边形谐振腔，并通过将腔体沿短对角线剪裁构成其三角形半模；天线主要结构特征由位于介质基板上的八个三角形金属化贴片单元、单元边缘的金属化栅状通孔以及接地基板上的米字型缝隙槽结构组成；均匀分布在三角形贴片边缘的金属化栅状通孔是基片集成波导技术中近似理想电壁的关键技术；本发明的馈电方式是对八个腔体采用了独立的同轴探针。本发明具有较好的紧凑性和平面集成特点，同时也具有高的宽带和带内隔离度。
Description
技术领域
本发明属于OAM无线通信技术领域，具体涉及一种基于三角形半模结构的七模态OAM发射天线及其设计方法。
背景技术
轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)在无线电通信***中作为一种新的调制方式。OAM所具有的模态是一个量子化的维度，具有不同模态的OAM波束彼此正交，使得基于OAM复用的通信技术可以实现在同一带宽内并行传输多路携带信息的OAM的涡旋电磁波。利用OAM复用的通信技术既可用来增加通信***中的信道容量，亦可解决信号串扰等问题，从而提高频谱利用率。
均匀矩形阵列(Uniform Rotation Array，URA)天线是产生OAM的一种方法，通过控制阵元间的相位差以实现不同OAM模式的涡旋电磁波。
常规的腔天线体积比较大，而且天线的结构比较复杂，在设计过程中是难以在平面集成的。随着现在电子设备的发展，人们对通信设备的小型化和传输性能的要求越来越高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于三角形半模结构的七模态OAM发射天线及其设计方法，
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于三角形半模结构的七模态OAM发射天线，天线由八个半模SIW三角形谐振腔、八个独立的同轴探针以及一个米字型缝隙槽组成；其中八个半模SIW三角形谐振腔辐射边在外侧且彼此电壁背靠背放置，构成紧凑型顺序旋转阵列；金属化栅状通孔均匀分布在八个等腰三角形贴片的两腰的边缘，三角形底边作为开放壁，以辐射电磁波。
进一步的，半模SIW三角形谐振腔是在其中一个顶角为45°的SIW平行四边形谐振腔的基础上，将腔体沿沿着短对角线剪裁而产生的，并通过均匀旋转构成OAM天线阵列。
进一步的，八个半模SIW三角形谐振腔采用分离式结构，相邻半模SIW三角形谐振腔的两条平行边的间距为六分之一波长。
进一步的，八个半模SIW三角形谐振腔采用独立同轴馈电，相邻的馈电探针间隔45°圆心角，分别馈送相同幅度的信号，通过改变馈源之间的相位差实现对OAM天线模态的控制。
进一步的，天线的接地基板层采用米字型缝隙结构。
一种基七模态OAM发射天线的设计方法，包括：
设计天线阵元，沿着SIW平行四边形谐振腔的短对角线剪裁后形成半模SIW三角形谐振腔单元；
确定当基板的相对介电常数固定时三角形谐振腔的边长，使得设计中心频率在7.5GHz；
在均匀旋转阵列基础上结合平行四边形高阶模式的HMSIW三角形半模结构，形成八单元阵列OAM天线；
在接地基板层引入米字型缝隙槽结构，通过调节槽的长度和宽度使得隔离谐振频率在天线的工作中心频率附近。
与现有技术相比，本发明的显著优点为：本发明提出一种基于基片集成波导平行四边形谐振腔的三角形SIW半模的七模态OAM发射天线，阵元之间采用分离式结构，八个相互独立的同轴探针馈电的幅度相同，射频OAM模式由馈源间的相位差决定；金属接地基板引入米字型缝隙槽结构，以改变接地基板表面的电流分布，能够有效抑制由激励端口走向其他端口的电流，实现阵元间的高隔离度；本发明具有较好的紧凑性和平面集成的特点，且能实现较高的带宽和带内隔离度。
附图说明
图1是本发明流程图。
图2是本发明的三维图。
图3是本发明的俯视图、仰视图及主视图。
图4是OAM天线的各模态相位图。
图5是给出具体实例天线的S参数信息。
具体实施方式
基片集成波导既保持金属波导的特点又具有平面集成的优势。利用这种技术设计的天线成本很低，尺寸紧凑，且易与与其他器件集成。后来基片集成波导的进一步发展在于高阶模式的部分模结构，将基片集成波导技术用于腔体结构中，取其部分模式后天线的尺寸也随之减小，使得天线阵元间非常紧凑。
如图1、图2、图3所示，本发明提供一种基于三角形半模结构的七模态OAM发射天线，该天线由上层八个等腰三角形金属贴片单元、中间层介质基板和下层金属接地基板层组成，等间距金属化通孔嵌入三者之间，在等腰三角形谐振腔的两腰上形成金属壁，构成半封闭半模基片集成波导三角形谐振腔。
半模SIW三角形腔是在其中一个顶角为45°的SIW平行四边形谐振腔的基础上，将腔体沿沿着短对角线剪裁而产生的，天线阵列是由八个辐射边在外侧且彼此电壁背靠背放置的单元构成紧凑型顺序旋转阵列。
金属栅状通孔均匀分布在等腰三角形的两腰，金属通孔阵列的作用类似于电壁，使得电磁波只能从三角形半模谐振的底边辐射出去，三角形的底边作为开放壁。
八个阵元采用阵元分离式结构，相邻阵元间距为六分之一波长。八个腔体采用独立同轴馈电，相邻的馈电探针间隔45°圆心角，分别馈送相同幅度的信号，通过改变馈源之间的相位差实现对OAM天线模态的控制。
天线的接地基板层采用米字型缝隙结构，接地基板开槽或挖缝相当于改变了接地基板表面的电流分布，能够有效抑制由激励端口走向其他端口的电流，以实现紧凑型OAM天线阵列阵元间的高隔离度。
本发明还提供一种七模态OAM发射天线的设计方法，如图1，包括：
设计天线阵元，沿着SIW平行四边形谐振腔的短对角线剪裁后形成三角形HMSIW谐振腔单元；
根据一般三角形腔模分析，确定当基板的相对介电常数固定时三角形谐振腔的边长，使得设计中心频率在7.5GHz；
在均匀旋转阵列基础上结合平行四边形高阶模式的HMSIW三角形半模结构，形成八单元阵列OAM天线；
在接地基板层引入米字型缝隙槽结构，通过调节槽的长度和宽度使得隔离谐振频率在天线的工作中心频率附近，以实现阵元间的高隔离度。
上述设计方法中各部分结构特点与天线部分的限定一一致，此处不再赘述。
下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步解释和补充。
实施例
如图2所示，给出了本发明的一种具体实施例天线结构三维图，用于实现七模态的OAM天线阵列。该天线是基于基片集成波导平行四边形谐振腔的三角形半模的七模态OAM发射天线，天线由位于介质基板上表面八个的三角形贴片和中间层介质基板以及下表面接地金属层组成，每个三角形贴片单元的腰两边有两排金属化通孔，金属通孔嵌入这三者间，形成半封闭三角形腔。馈电方式采用同轴馈电，在八个三角形半模谐振腔中分别馈电，馈电端口在下层金属基板的下方，通过改变馈电点之间的相位差实现对OAM模态的控制。本发明的实例采用的介质基板的介电常数为3.5，基板厚度h1为3mm；金属化通孔直径为0.5mm，金属化通孔中心之间的间距为0.8mm；相邻三角形腔的间距d为6.75mm，三角形的边长a为20.4mm；馈电电位于等腰三角形底边的高线上，馈电中心到三角形两腰的距离k为5.57mm；底层金属基板h2厚度3mm的厚度，接地基板上引入缝隙的长度slot-l为52.6mm，缝隙的宽度slot-d为4.5mm。
Active S参数分析包含了所有耦合影响，更具有分析价值。此定义的回波损耗是实际上有效的S参数，除了考虑单元的回波损耗外，还考虑来自其他端口的耦合效应。本发明实例具有较好的Active S参数。
本发明是将SIW平行四边形谐振腔沿对角线剪切形成半封闭的三角形HMSIW谐振腔，再结合均匀选旋转阵列形成八个谐振腔单元，通过控制各单元中各馈电点的相位差来实现对OAM模态的控制。为了实现阵元间的高隔离度，在接地基板引入米字型缝隙结构，产生了隔离谐振，使得天线具有高隔离度；并且由于缝隙槽的引入，S11引入了一个的新的谐振点，天线的带宽得到大幅度增加。如图4所示，该天线能实现七个不同的OAM模态涡旋波，各阵元的相位差设置为0°、±45°、±90°、±135°时可分别获得l＝0，l＝±1，l＝±2和l＝±3模态的OAM电磁波。如图5所示，天线S11低于-10dB的带宽可达840MHz，相邻阵元间的带内峰值隔离可达34.4dB。本发明通过使用SIW技术实现谐振腔天线小型化，本发明结构紧凑，平面集成，同时有较高的带宽和带内隔离。
尽管通过以上实施例对本发明进行了解释，但是本发明的范围并不局限于此，在不偏离本发明构思的条件下，以上各构建可用所述技术领域人员了解的相似或等同原件来代替。
Claims (10)
1.一种基于三角形半模结构的七模态OAM发射天线，其特征在于，天线由八个半模SIW三角形谐振腔、八个独立的同轴探针以及一个米字型缝隙槽组成；其中八个半模SIW三角形谐振腔辐射边在外侧且彼此电壁背靠背放置，构成紧凑型顺序旋转阵列；金属化栅状通孔均匀分布在八个等腰三角形贴片的两腰的边缘，三角形底边作为开放壁，以辐射电磁波。
2.根据权利要求1所述的基于三角形半模结构的七模态OAM发射天线，其特征在于，半模SIW三角形谐振腔是在其中一个顶角为45°的SIW平行四边形谐振腔的基础上，将腔体沿沿着短对角线剪裁而产生的，并通过均匀旋转构成OAM天线阵列。
3.根据权利要求1所述的基于三角形半模结构的七模态OAM发射天线，其特征在于，八个半模SIW三角形谐振腔采用分离式结构，相邻半模SIW三角形谐振腔的两条平行边的间距为六分之一波长。
4.根据权利要求3所述的基于三角形半模结构的七模态OAM发射天线，其特征在于，八个半模SIW三角形谐振腔采用独立同轴馈电，相邻的馈电探针间隔45°圆心角，分别馈送相同幅度的信号，通过改变馈源之间的相位差实现对OAM天线模态的控制。
5.根据权利要求1所述的基于三角形半模结构的七模态OAM发射天线，其特征在于，天线的接地基板层采用米字型缝隙结构。
6.一种基于权利要求1所述七模态OAM发射天线的设计方法，其特征在于，包括：
设计天线阵元，沿着SIW平行四边形谐振腔的短对角线剪裁后形成半模SIW三角形谐振腔单元；
确定当基板的相对介电常数固定时三角形谐振腔的边长，使得设计中心频率在7.5GHz；
在均匀旋转阵列基础上结合平行四边形高阶模式的HMSIW三角形半模结构，形成八单元阵列OAM天线；
在接地基板层引入米字型缝隙槽结构，通过调节槽的长度和宽度使得隔离谐振频率在天线的工作中心频率附近。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，半模SIW三角形谐振腔是在其中一个顶角为45°的SIW平行四边形谐振腔的基础上，将腔体沿沿着短对角线剪裁而产生的，并通过均匀旋转构成OAM天线阵列。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，八个半模SIW三角形谐振腔采用分离式结构，相邻半模SIW三角形谐振腔的两条平行边的间距为六分之一波长。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，八个半模SIW三角形谐振腔采用独立同轴馈电，相邻的馈电探针间隔45°圆心角，分别馈送相同幅度的信号，通过改变馈源之间的相位差实现对OAM天线模态的控制。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，天线的接地基板层采用米字型缝隙结构。
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