一种基于GPS陶瓷天线阵列的圆极化涡旋波天线

一种基于gps陶瓷天线阵列的圆极化涡旋波天线
技术领域
1.本技术涉及天线技术领域，具体涉及一种基于gps陶瓷天线阵列的圆极化涡旋波天线。


背景技术：

2.实现信息的快速传输离不开无线电技术的发展，与此同时也给人类生活的方方面面带来了深刻的变革，相关的一些产品也已经成为了人们日常生活中不可或缺的一部分。然而通信业务的不断增多和无线通信技术的迅猛发展，导致频谱资源日益紧缺，通信速率趋于香农公式极限。为此无线电技术急需取得突破性进展去解决上述问题，电磁波作为信息载体，也被广泛研究。
3.近些年的研究表明,与传统平面波、球面波有着明显差异的涡旋电磁波(简称涡旋波)体现出解决频谱匮乏问题的可能性，有学者基于无线电波传输的本质提出了涡旋波(orbital angular momentum,oam)技术，携带的轨道角动量具有全新的自由度，且理论上在任意频率下都具有无穷多种互不干扰的正交模态。因此,涡旋波所具有的特性体现出提升频谱利用率的可能性，并在无线通信与雷达成像等领域体现出可观应用前景，逐渐成为研究热点。涡旋波的产生装置是进一步研究与应用的基础,以往的涡旋波产生装置主要包括反射或透射阵天线和均匀圆环阵等。其中，反射阵或透射阵对馈源与阵面的相对位置有严格要求,且馈源更进一步可能对产生的涡旋波束造成影响，圆环阵含有数目众多的阵元，且阵元的数目随涡旋波模态的增加而增多,导致阵列规模的增大与复杂度的提升。上述两种阵列形式的涡旋波产生装置往往体积较大，并不利于实际应用。为了将涡旋电磁波不同模态的轨道角动量所携带的信息传输至某一目的地，不仅对涡旋电磁波的传输距离和电磁性能提出了要求，而且对于涡旋波天线阵列的灵活性以及减小oam波束发散角也提出了要求。


技术实现要素：

4.本技术的目的在于提供一种基于gps陶瓷天线阵列的圆极化涡旋波天线，用以解决涡旋波束的远距离传输问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
6.一种基于gps陶瓷天线阵列的圆极化涡旋波天线，其特征在于利用全圆极化天线避免传统涡旋波天线阵列对移相设备的依赖，借助功分器和同轴线的连接使得涡旋波天线阵列更加简单灵活，极大改善oam波束大发散角的问题；其中gps陶瓷天线由辐射贴片(切角矩形金属贴片)、陶瓷介质层和接地板三个部分组成，对基板进行倒角处理实现对天线和操作人员的保护；采用同轴馈电的方式为天线提供馈电信号，馈电点的位置仅在y方向上具有相对天线中心1.1mm的偏移量。
7.进一步的，所述圆极化涡旋波天线的材质为gps陶瓷天线。
8.进一步的，所述圆极化涡旋波天线的辐射贴片的边长和切角尺寸分别设置为19mm
和1.3mm。
9.进一步的，所述圆极化涡旋波天线的陶瓷基板的厚度为4mm，相对介电常数为21.4。
10.进一步的，所述圆极化涡旋波天线倒角的半径设置为4mm。
11.进一步的，所述圆极化涡旋波天线可以发射标准oam波束。
12.进一步的，所述圆极化涡旋波天线可产生高质量oam波束，在输出信号功率为0dbm时，仍然可以检测到距离天线阵列2米以上的oam波束。
13.与现有技术相比，本技术的有益效果包括：
14.(1)本技术基于一种gps陶瓷天线阵列的圆极化涡旋波天线，提高天线阵列的电磁性能，避免传统涡旋波天线阵列对移相设备的依赖。
15.(2)本技术基于一种gps陶瓷天线阵列的圆极化涡旋波天线，简化了天线阵列系统，改善了oam波束大发散角的问题。
附图说明
16.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对本技术范围的限定。
17.图1为本技术实施例的gps介质陶瓷天线反射系数图；
18.图2为本技术实施例的天线轴比曲线图和xoy平面辐射方向图；
19.图3为本技术实施例的gps介质陶瓷天线xoy平面和yoz平面的辐射方向图；
20.图4为本技术实施例的gps介质陶瓷天线的电场矢量分布；
21.图5为本技术实施例的右旋圆极化天线阵列、辐射方向图以及相位分布图；
22.图6为本技术实施例的左旋圆极化天线阵列、辐射方向图以及相位分布图；
23.图7为本技术实施例的模式二涡旋电磁波天线阵列、辐射方向图以及相位分布图；
24.图8为本技术实施例的不同距离处测量得一维强度分布图；
具体实施方式
25.下面将结合附图和具体实施例，对本技术的实施方案进行详细描述：
26.切角矩形是一种简单且已广泛用于圆极化天线设计中的结构。切角矩形的边长决定了圆极化天线的谐振频率，矩形的切角结构和馈电点中心偏移旨在实现电磁波的正交极化的简并模式，从而激发圆极化电磁波达到圆极化天线设计的目的。为了满足gps应用的波段，我们将天线的谐振频率设定为1.550ghz。辐射贴片的边长和切角尺寸分别设置为19mm和1.3mm。圆极化天线的辐射层放置在厚度为4mm，相对介电常数为21.4的陶瓷基板上，倒角的半径设置为4mm。在设计中，采用同轴馈电的方式为天线提供馈电信号，馈电点的位置仅在y方向上具有相对天线中心1.1mm的偏移量。gps陶瓷天线由辐射贴片(切角矩形金属贴片)、陶瓷介质层和接地板三个部分组成。
27.天线的实测和仿真结果如图1所示。在仿真中，所有边界均设置为open(add space)，并且电磁波是沿z轴正向传播。在实验设置中，所设定的天线工作在1.550ghz频率处。从图中看出测量结果与模拟结果基本吻合，证明了所提出gps介质陶瓷天线设计的合理
性。图2(a)显示了设计的天线在1.540至1.560ghz频段内的轴比。在1.550ghz的谐振频率处，该天线轴比小于3db。因此，该天线可以视为圆极化天线。在图2(b)中，gps陶瓷天线在1.550ghz谐振频率处xoy平面上具有近似圆形的辐射方向，很好地说明了所设计天线的全向辐射特性。
28.图3(a)和3(b)分别显示了天线工作在1.550ghz频率时，在xoz和yoz平面中的测量和仿真的辐射方向图。从图中可以看出，尽管后瓣存在差异，但测量结果与仿真结果基本吻合。这种差异主要是由于测试时需要为天线提供支撑和馈电设备，这些设备的反射在模拟中没有考虑。这些反射对天线的实际应用不会造成很大的影响，不影响其实际使用。
29.在圆极化天线的设计中，通过简单地改变切角的方向就可以实现右旋圆极化和左旋圆极化两种状态之间的转换。如图4所示。基于这两种不同的圆极化状态，我们可以实现天线阵列所产生涡旋电磁波正负模式的切换。
30.使用gps陶瓷天线阵列在谐振频率1.550ghz处产生涡旋电磁波。由6个gps介质陶瓷天线组成天线阵列，并利用天线阵列进行涡旋电磁波产生的模拟，仿真结果如图5所示。图5(a)所示的右旋圆极化天线阵列由6个相同的右旋圆极化gps介质陶瓷天线组成，它们均匀分布在半径为0.5λ0的圆上。图5(b)所示的辐射方向图和图5(c)所示的相位分布图证明了模式为1的涡旋电磁波的产生。图6(a)、(b)和(c)说明了当天线阵列由6个左旋圆极化的gps陶瓷天线组成时，模式为-1的涡旋电磁波产生。另外，gps天线的辐射全向特性有利于改善传统涡旋电磁波天线所固有的大发散角问题，增加涡旋电磁波的传输距离。从图5(b)和图6(b)中我们可以发现，
±
1的oam波束的辐射方向图没有旁瓣和小发散角，这主要得益于天线阵列采用较小的分布半径和单元天线的全向特性。这些仿真结果证实了gps介质陶瓷天线阵列在产生oam波束方面的良好性能。根据生成l＝
±
1的涡旋电磁波的成功经验，使用相同的方法可以产生高阶模式的涡旋电磁波。我们只需要将相邻天线的相位差更改为其中，(n是阵列的天线编号)。例如，用于生成l＝2的oam波束的天线阵列如图7(a)所示。该阵列包含12个相同的右旋圆极化gps介质陶瓷天线，相邻天线的相位差应该设置为60
°
。生成的涡旋电磁波的辐射方向图和相位分布图分别如图7(b)和(c)所示。图中所展示的中间低两边高的辐射特性以及螺旋形状的相位分布都是涡旋电磁波产生的明显特征。
31.在实际测试中，通过在不同距离处探测天线阵列产生的涡旋电磁波的一维强度与相位分布来验证圆极化天线阵列实际产生涡旋电磁波的效果，观察到的结果如图8所示。测量范围为0到40cm。接收功率的中心急剧下降和相位曲线中心的相位突变是涡旋电磁波的明显特征，与图5中所示的模拟结果吻合。如图8所示，当接收天线通过涡旋电磁波中心的相位奇点时，接收功率强度急剧下降且产生相位突变。在这种设置中，功分器的使用以及信号在电缆中的长距离传输会造成巨大的损耗，因此，图8中所示接收的功率值很低。但是，通过比较图8(a)、(b)和(c)可以发现接收功率仅随着检测距离的增加而略微减少。尽管矢量网络分析仪的输出功率为0dbm，但可检测距离仍然可以达到210cm。由此可见，采用这种方法产生的涡旋电磁波在实际应用中具有远距离传输的潜力。