[发明专利]用于产生涡旋电磁波的椭圆贴片天线阵列

说明书

本发明公开了一种用于产生涡旋电磁波的椭圆贴片天线阵列，主要解决目前产生涡旋电磁波使用的天线加工成本高，结构复杂的问题。其包括上、下两层介质基板(1，2)、金属地板(3)，圆弧状移相的N等分功分网络(4)、N个椭圆形贴片(6)和N个金属铜柱(5)，上、下两层介质基板分别位于金属地板的上下表面，功分网络印制在下层介质基板的下表面，用以产生涡旋电磁波所需要的幅度和相位，N个椭圆形贴片均匀分布印制在上层介质基板的上表面，每个椭圆形贴片和功分网络通过对应的金属铜柱连接。本发明能在保证天线增益的前提下，产生特定模式的涡旋电磁波，且结构简单，成本低廉，可用于无线通信的接收和发射天线。

技术领域

本发明属于天线技术领域，更具体的涉及一种椭圆贴片天线阵列，可用于无线通信的接收和发射天线。

背景技术

随着无线通信技术的飞速发展，人们对于带宽和信息传输速度的要求越来越高，而频谱资源的紧缺，逐渐成为了制约这一发展的关键。为了在有限的频谱资源上传输更多的信息以及提高频谱的利用率，进而达到提高无线通信的信道容量的目的，瑞典的B.Thide等在2007年发现了携带有轨道角动量的涡旋电磁波的阵列天线并成功运用在了无线通信领域，经过研究表明，涡旋电磁波可以使电磁波在同一频率下以不同的轨道角动量编码，从而使得无线通信的容量得到提升。

就目前而言，能够产生涡旋电磁波的阵列天线方式主要有两种，一种是通过移相器、衰减器这些有源器件与独立的天线单元相连接，这种方式可以自由控制每一个单元的幅度和相位，但是成本高，而且系统复杂。另一种是将无源功分网络与阵元相连，这种方式不能任意改变各个天线单元的幅度和相位，但是加工简单，剖面低，成本低，而且容易集成到通信设备中。例如申请号为201610853850.5专利公开了一种用于产生OAM波的环形缝隙天线，该天线采用环形天线和含有100欧姆阻值的Wilkinson功率分配器产生模式l＝2的涡旋电磁波，但其缺陷在于采用的Wilkinson功率分配器的结构复杂，不容易设计。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出了一种用于产生涡旋电磁波的椭圆贴片天线阵列，以在保证天线增益的前提下，减化结构，降低成本。

为实现本发明的目的，本发明的技术方案如下：

一种用于产生涡旋电磁波的椭圆贴片天线阵列，包括介质基板、金属地板、功分网络、N个辐射单元和N个金属铜柱，每个辐射单元和功分网络通过对应的金属铜柱连接(N≥4)，其特征在于：

所述介质基板，设为上、下两层，即上层介质基板和下层介质基板，分别位于金属地板的上下表面；

所述功分网络，采用圆弧状移相的N等分功分网络，印制在下层介质基板的下表面，用以产生涡旋电磁波所需要的幅度和相位；

每个辐射单元，采用椭圆形贴片，并按照阵元间距D＝1.1λ_g均匀分布印制在上层介质基板的上表面，λ_g是电磁波在介质中的波长。

进一步，圆弧状移相的N等分功分网络，包含一个50欧姆的总馈电端口、一个圆弧状一分为N的串馈等幅移相功分器和N条阻抗变换微带支路，这N条阻抗变换微带支路彼此之间的夹角为90度。

进一步，N条阻抗变换微带支路与N个椭圆形贴片通过N个金属铜柱对应相连，用来产生N路功率幅度相等且相邻端口之间相位差为2πl/N的激励电流，其中,l为需要产生的涡旋电磁波的模式。

进一步，50欧姆的总馈电端口与外部同轴电缆连接，以产生模式为l＝-1的涡旋电磁波。

进一步，所述每个椭圆形贴片的长轴为1.01λ_g，轴比为1.13；每个椭圆形贴片的馈电点设置在距离该椭圆形贴片中心(0.11λ_g,0.26λ_g)的位置处。