[发明专利]用于产生涡旋电磁波的阵列天线

说明书

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种可以产生微波频段涡旋电磁场的阵列天线，可以应用于无线通信。

背景技术

随着无线通信技术的迅速发展，有限的频谱资源越来越不能够满足人们的需求，如何提高频谱资源利用率成为当今通信领域所关注的焦点。目前无线通信方面的技术手段主要是以频分复用为主，即把传输信道按照频率不同划分成若干个子信道，各个子信道之间互不影响地进行信号传输。频分复用技术的特点是所有子信道传输的信号以并行的方式工作，每一路信号传输时可不考虑传输时延，因而取得了非常广泛的应用，但是由于目前频带是有限的，也就是说，可以划分的子信道数量是一定的，限制了通信容量和通信速度，这就要求我们寻求频分复用技术之外的更加有效的增加频谱利用率的方法。

涡旋电磁波是有别于普通平面波的一类电磁波，平面波只有自旋角动量，而涡旋波不仅具有自旋角动量，还有轨道角动量，它的等相位面由于波束携带轨道角动量而呈螺旋状分布，与平面波的等相位平面是不同的。涡旋电磁波可以有不同的模态数l。不同的l代表涡旋程度不同，理论上来讲l有无限多个取值，并且不同模态之间是相互正交的。这一特性为提高频谱利用率和信道容量提供了一个理想的发展方向。

2007年，Thide等人首先提出用矢量阵列天线阵列可以产生OAM，在2010年，Mohammadi等人用实验仿真证明了此假设。接着在2014年，Willner等人利用螺旋相位板SPP在毫米波波段实现了8信道同时传输的通信。但是，这种方法使用的实验设备非常复杂，尺寸大，成本较高，不利于涡旋电磁波的广泛应用。因此，如何设计小尺寸高性能的阵列天线用来生成涡旋电磁波便成为一个急需研究的问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种用于产生涡旋电磁波的阵列天线，以解决现有技术使用实验设备复杂，尺寸大，成本高昂的问题。

为实现上述目的，本发明用于产生涡旋电磁波的阵列天线，包括8个阵列单元T、馈电网络K、介质基板J、同轴探针Z和金属地板G，8个阵列单元T和馈电网络K均印制在介质基板J的上表面，金属地板G印制在介质基板J的下表面，其特征在于：

所述的8个阵列单元T结构相同，每个阵列单元均采用底端开槽的矩形贴片，且各阵列单元等间隔的绕同轴探针Z所在位置组成圆形阵列；

所述的馈电网络K，设有1个输入端口和8个输出端口，且成横向H型分布，该输入端与同轴探针Z连接，以实现同轴探针Z对馈电网络K的馈电；该8个输出端口依次与8个阵列单元T对应连接，以实现馈电网络K对阵列单元T的馈电。

作为优选，所述各阵列单元T的中心距同轴探针Z的距离为阵列天线工作波长λ。

作为优选，所述馈电网络K包括两个第一λ/4阻抗匹配器2、四个第二λ/4阻抗匹配器4、两个第一过渡枝节1、四个第二过渡枝节3和八个差相馈电枝节5，6，7，8，9，10，11，12，每两个过渡枝节3的一端连接组成两对过渡枝节，每两个差相馈电枝节的一端连接，组成四对差相馈电枝节，即第一差相馈电枝节5与第二差相馈电枝节6的一端连接组成第一对差相馈电枝节，第三差相馈电枝节7与第四差相馈电枝节8的一端连接组成第二对差相馈电枝节，第五差相馈电枝节9与第六差相馈电枝节10的一端连接组成第三对差相馈电枝节，第七差相馈电枝节11与第八差相馈电枝节12的一端连接组成第四对差相馈电枝节。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.本发明的天线单元由于采用最常见的微带贴片，因而成本低，尺寸小，结构简单。

2.本发明由于利用馈电网络对天线单元馈电的相位差产生涡旋波，无需用太多附加结构，故实验设备简单，易于实现，方便加工生产。

3.本发明的整个装置位于介质板的一侧，天线圆阵列的半径为一个波长，馈电网络的位置选取有效地利用了天线阵列圆周内的空闲地方，整个阵列更加小型化。

附图说明

图1为本发明的三维结构示意图；

图2为本发明实施例的中心频率为6GHz的回波损耗曲线图；

图3为本发明实施例在6GHz时的方向的二维辐射图；

图4为本发明实施例在6GHz时的方向的二维辐射图；

图5为本发明实施例在6GHz时产生的涡旋电场分布图。

具体实施方法

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的详细说明: