CN114421147A - 一种基于超表面的圆极化涡旋波天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无线通信领域中的天线设计技术，提供了一种基于超表面的圆极化涡旋波天线。天线具有三层结构，上层为刻蚀在介质板上的4×4个结构单元作为辐射结构，其中结构单元为V形结构，作为辐射贴片结构中的超表面结构单元；中层为介质基板；下层为刻蚀在介质板上的环形馈电结构，作为接地板。采用V形金属结构作为天线辐射单元，极化性能良好。通过结构参数优化，得到了0.8dB的轴比。该天线为0.272λ0×0.272λ0×0.272λ0的紧凑尺寸，有利于实际应用。此天线具有紧凑、增益高等特点。由六个圆极化天线构成的天线阵列可以产生模式为1的较为标准的轨道角动量波束。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信领域中的天线设计技术，特别涉及于一种基于超表面的圆极化涡旋波天线。
背景技术
电磁超表面已经成为目前电磁材料研究的前沿。与传统的三维结构相比，超表面具有的小型化和低剖面特性，使得它们更易于制造和集成在设备或***中。此外，超表面结构设计具有很大的灵活性，可以精确地调控透射或反射电磁波的幅度、相位和极化等信息。因此，超表面适用于圆极化天线的设计。更重要的是，利用超表面结构设计圆极化天线可以在改善天线的电磁性能的同时而不增加天线尺寸。在传统圆极化天线的设计中，通常采用改变缝隙结构、截角贴片和馈线网络来实现圆极化。然而这些方法会导致较高的轴比和较大的体积。
发明内容
本发明所要解决的问题是基于超表面结构，利用V形金属缝隙，激发相互垂直的“对称”和“反对称”两种模式，通过改变V形结构支节的长度、角度宽度以及馈电点位置，实现一种基于超表面的圆极化涡旋波天线。通过结构参数优化，得到了0.8dB的轴比。此天线具有紧凑、增益高等特点。由六个圆极化天线构成的天线阵列实现产生较为标准的模式为1的轨道角动量波束。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
一种基于超表面的圆极化涡旋波天线，天线具有三层结构，上层为刻蚀在介质板上的4×4个结构单元作为辐射结构，其中结构单元为V形结构，作为辐射贴片结构中的超表面结构单元；中层为介质基板；下层为刻蚀在介质板上的环形馈电结构，作为接地板。天线阵列由六个单元天线构成。
所述辐射结构、介质板和接地板平行放置。
所述辐射单元为4×4阵列，由V形金属结构单元构成超表面天线。
所述V形辐射结构为缝隙形，即在完整的金属贴片上刻蚀V形结构，通过改变V形结构可以同时满足90度相位差和等幅的条件。
所述V形结构夹角大约为90度，所有结构均匀分布在辐射贴片上。
所述环形馈电结构为圆环缝隙，距离几何中心有一定偏移。
所述介质板选用F4B商用刻蚀电路板；辐射结构层和接地层选用铜板。
所述天线阵列由6个单元天线构成，6个天线均匀分布在半径为0.5λ0的圆周上，相邻天线方向之间的角度为60°，意味着相邻天线之间引入了60°的相位差。
相对于现有技术，本发明的有益效果在于：
(1)本发明基于超表面结构，利用V形金属结构，设计发明了一种新型的基于超表面的圆极化涡旋波天线。辐射结构极化性能良好，通过结构参数优化，得到了0.8dB的轴比。天线为0.272λ0×0.272λ0×0.272λ0的紧凑尺寸，有利于实际应用。
谐振频率由天线的尺寸参数决定，通过对V形金属结构的臂长和臂宽进行调节，可以实现轴比的变化。通过对馈电位置的调节，可以在中心频率保持不变的情况下改变天线轴比，水平、垂直位置分别影响左、右半边共振峰。当左半边谐振峰和右半边谐振峰峰值近似相等时，所设计的圆极化超表面天线在中心频率处获得较低的轴比。
(2)本发明采用圆极化天线作为阵列单元，并利用其组成圆形阵列，有效产生了模式为1的轨道角动量波束。
附图说明
图1为本发明圆极化天线的整体结构俯视图；
图2为本发明圆极化天线的整体结构仰视图；
图3为本发明圆极化天线的整体结构透视图；
图4为本发明圆极化天线改变V形结构臂长的反射系数变化图；
图5为本发明圆极化天线改变V形结构臂宽的反射系数变化图；
图6为本发明圆极化天线改变环形馈电结构水平方向位置的反射系数变化图；
图7为本发明圆极化天线改变环形馈电结构垂直方向位置的反射系数变化图；
图8为本发明圆极化天线的轴比曲线；
图9为本发明圆极化天线构成天线阵列示意图；
图10为本发明圆极化天线阵列的辐射方向图；
图11为本发明圆极化天线阵列产生的波束相位分布图；
具体实施方式
为使本本发明的目的特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和实例对发明作进一步详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。
如图1和2所示，为本发明的基于超表面的圆极化涡旋波天线的结构俯视图和仰视图。如图3所示，该天线具有三层结构，上层为刻蚀在介质板2上的V形辐射结构作为辐射板1；中层为介质板2；下层为刻蚀在介质板2上的环形馈电结构，作为接地板3。具体为：
辐射结构具体为4×4单元构成超表面，单元结构为V形缝隙结构，结构两臂长度、宽度相同，臂端角度为直角，两臂夹角为大约90°。
环形馈电结构具体为圆环形缝隙，其中心位置对于接地板3几何中心有一定的水平、垂直方向偏移。
天线的馈电方式为同轴馈电。
三层结构平行放置，辐射板1放置在介质板2的上方，接地板3放置在介质板2的下方，最终实现圆极化涡旋波天线的辐射。
仿真实验
本发明的效果可以通过以下仿真实例进一步说明。
仿真实验1：
介质板为24.5mm×24.5mm×2mm的F4B，介电常数为3.5；辐射板为22.7mm×22.7mm×0.018mm的铜板；接地板为24.5mm×24.5mm×0.8mm的铜板。
V形馈电单元的间距为5.675mm，即均匀分布。
以上这些结构的相互密切配合，并进行优化设计，以实现低轴比的圆极化天线。
其他结构尺寸见表1所示。
表1
| 结构参数 | d | r | v | w | x | y | θ |
| 尺寸(mm) | 1.5 | 1.17 | 3.7 | 1.2 | 0.5 | 1.8 | 93° |
其中：d为环形馈电缝隙外径，r为环形馈电缝隙内径；v为V形馈电单元结构臂长；w为馈电单元结构臂宽；x为环形馈电结构水平偏移；y为环形馈电结构垂直偏移；θ为V形馈电单元结构两臂夹角。
本发明天线的工作原理为：V形金属结构可以激发相互垂直的“对称”和“反对称”两种模式，通过改变V形结构枝节的长度、角度、宽度以及馈电点位置可以同时满足90°相位差和等幅的条件，能够有效实现天线的圆极化设计。
本发明基于超表面，利用V形金属结构作为辐射单元，利用环形馈电网络为辐射结构馈电，设计出一款低轴比的圆极化涡旋波天线。通过调节V形金属结构的结构尺寸、馈电点位置，可以调整圆极化天线的轴比。
如图4所示，为本实施例的改变V形结构臂长的反射系数变化图。随着臂长的增加，天线的轴比具有先减小后增大的趋势。
作为优选方案，在臂长为3.7mm时达到最低轴比。
如图5所示，为本实施例的改变V形结构臂宽的反射系数变化图。随着臂宽的增加，天线的轴比具有先减小后增大的趋势。
作为优选方案，在臂宽为1.2mm时达到最低轴比。
如图6所示，为本实施例的改变环形馈电结构水平方向位置的反射系数变化图。当环形馈电结构的水平方向位置发生改变时，与圆极化超表面天线的中心频率保持不变，通过影响左半边共振峰改变超表面天线的轴比。当左半边谐振峰和右半边谐振峰峰值近似相等时，可以在中心频率处获得较低的轴比，从而实现天线圆极化性能的优化。作为优选方案，在位置为0.5mm时达到最低轴比。
如图7所示，为本实施例的改变环形馈电结构垂直方向位置的反射系数变化图。当环形馈电结构的垂直方向位置发生改变时，与圆极化超表面天线的中心频率保持不变，通过影响右半边共振峰改变超表面天线的轴比。当左半边谐振峰和右半边谐振峰峰值近似相等时，可以在中心频率处获得较低的轴比，从而实现天线圆极化性能的优化。作为优选方案，在臂长为1.8mm时达到最低轴比。
如图8所示，为本实施例的轴比曲线。在3.36GHz的谐振频率下，圆极化超表面天线的轴比很低(0.8dB)。水平虚线表示3dB轴比，该天线的3dB轴比带宽为3.35GHz至3.37GHz。
仿真实验2：
在传统的线性极化天线组成的天线阵列产生涡旋电磁波技术中，为了产生模式为l的涡旋电磁波，应向天线阵列馈入相同幅度且具有2πl/N相位差的信号，其中，N是围绕光轴的分布圆上的天线数量。在这种情况下，移相设备或馈电网络对于天线***至关重要。为了简化***，我们按照上述方法利用圆极化天线阵列产生轨道角动量波束。圆极化天线可以通过围绕天线中心旋转来实现相位调控。
6个天线均匀分布在半径为0.5λ0的圆周上。为了产生模式为1的轨道角动量波束，天线N的数量应为偶数且满足N>2|l|+1。如图9所示，为本实施例的圆极化天线阵列示意图。为了产生模式为1的轨道角动量波束，四个天线可以满足条件。但同时为了获得较为标准的涡旋波，天线数量需要增加，采用6个圆极化天线组成阵列。箭头表示每个单元天线的方向，相邻天线方向之间的角度为60°，即引入60°的相位差。
如图10所示，为本实施例的圆极化天线阵列辐射方向图。工作频率为3.36GHz，由于光轴上存在的相位奇点，辐射方向图显示出中心凹陷的特征，证明模式为1的轨道角动量光束的产生。
如图11所示，为本实施例的圆极化天线阵列产生的波束相位分布图。由于光轴上存在的相位奇点，相位分布图显示出具有螺旋形状的相位分布，证明模式为1的轨道角动量光束的产生。以上对本发明所提供的一种圆极化涡旋波天线进行了详细介绍，并应用了详细的结构设计参数对本发明的原理及实施方式进行了阐述及实现。以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。对于本领域的专业人员来说，在了解本发明的内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于超表面的圆极化涡旋波天线，其特征在于：天线具有三层结构，上层为刻蚀在介质板上的V形金属结构；中层为介质板；下层为刻蚀在介质板上的环形馈电结构，作为接地板；天线阵列由六个单元天线构成；
所述辐射结构、介质板和接地板平行放置。
2.根据权利要求1所述的一种基于超表面的圆极化涡旋波天线，其特征在于：辐射单元为4×4阵列，由V形金属结构单元构成超表面天线。
3.根据权利要求2所述的辐射单元，其特征在于：辐射结构为缝隙形，即在完整的金属贴片上刻蚀V形结构，通过改变V形结构可以同时满足90度相位差和等幅的条件；所述V形结构夹角大约为90度，所有结构均匀分布在辐射贴片上。
4.根据权利要求1所述的一种基于超表面的圆极化涡旋波天线，其特征在于：环形馈电结构为圆环缝隙，距离几何中心有一定偏移。
5.根据权利要求1所述的一种基于超表面的圆极化涡旋波天线，其特征在于：介质板选用F4B商用刻蚀电路板；辐射结构层和接地层选用铜板。
6.根据权利要求1所述的一种基于超表面的圆极化涡旋波天线，其特征在于：天线阵列由6个单元天线构成，6个天线均匀分布在半径为0.5λ0的圆周上，相邻天线方向之间的角度为60°，意味着相邻天线之间引入了60°的相位差。
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|---|---|
| CN (1) | CN114421147A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115064866A (zh) * | 2022-05-24 | 2022-09-16 | 中国人民解放军海军工程大学 | 一种产生高纯度涡旋波的圆极化天线阵列 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20130208332A1 (en) * | 2011-08-31 | 2013-08-15 | President And Fellows Of Harvard College | Amplitude, Phase and Polarization Plate for Photonics |
| CN105071034A (zh) * | 2015-08-27 | 2015-11-18 | 宁夏大学 | 一种多模态oam涡旋电磁波微带阵列天线 |
| US20160043794A1 (en) * | 2014-08-08 | 2016-02-11 | Solyman Ashrafi | Systems and methods for focusing beams with mode division multiplexing |
| KR101745961B1 (ko) * | 2016-01-12 | 2017-06-14 | 한국과학기술원 | 다수의 원형 편파 패치 안테나를 이용한 oam 안테나 |
| CN106877003A (zh) * | 2017-03-22 | 2017-06-20 | 桂林电子科技大学 | 一种反射型超宽带太赫兹极化可重构圆极化器 |
| CN110265789A (zh) * | 2019-06-13 | 2019-09-20 | 电子科技大学 | 一种基于多阶相位因子的全介质硅太赫兹涡旋超表面 |
-
2022
- 2022-01-24 CN CN202210079955.5A patent/CN114421147A/zh active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20130208332A1 (en) * | 2011-08-31 | 2013-08-15 | President And Fellows Of Harvard College | Amplitude, Phase and Polarization Plate for Photonics |
| US20160043794A1 (en) * | 2014-08-08 | 2016-02-11 | Solyman Ashrafi | Systems and methods for focusing beams with mode division multiplexing |
| CN105071034A (zh) * | 2015-08-27 | 2015-11-18 | 宁夏大学 | 一种多模态oam涡旋电磁波微带阵列天线 |
| KR101745961B1 (ko) * | 2016-01-12 | 2017-06-14 | 한국과학기술원 | 다수의 원형 편파 패치 안테나를 이용한 oam 안테나 |
| CN106877003A (zh) * | 2017-03-22 | 2017-06-20 | 桂林电子科技大学 | 一种反射型超宽带太赫兹极化可重构圆极化器 |
| CN110265789A (zh) * | 2019-06-13 | 2019-09-20 | 电子科技大学 | 一种基于多阶相位因子的全介质硅太赫兹涡旋超表面 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| TAO LI ET AL.: "Manipulating optical rotation in extraordinary transmission by hybrid plasmonic excitations", 《APPLIED PHYSICS LETTERS》 * |
| 许建春: "射频涡旋电磁波天线的设计、制备与性能研究", 《中国博士学位论文电子期刊》 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115064866A (zh) * | 2022-05-24 | 2022-09-16 | 中国人民解放军海军工程大学 | 一种产生高纯度涡旋波的圆极化天线阵列 |
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