一种用于大容量数据传输的宽带涡旋天线阵列及馈电网络的制作方法

1.本实用新型属于天线技术领域，具体涉及一种用于大容量数据传输的宽带涡旋天线阵列及馈电网络。


背景技术：

2.随着无线通信技术的快速发展，空间中的频谱资源逐渐变得拥塞，而高速通信的需求必然导致在一定程度占用更多的频谱资源，如何更合理的利用频谱资源，提高频谱利用率成为当今无线通信领域的一个研究热点。携带有轨道角动量(orbital angular momentum，oam)的涡旋电磁波，理论上oam模式数量不限，任意不同模态的oam的波束独立正交，可以作为频率、幅度、极化等属性之外的全新自由度，可有效利用频谱资源并提升波束干扰能力，而涡旋天线，是一种能够发射和接收涡旋电磁波的新型天线，具有很高的研究价值和应用前景。
3.以往的涡旋天线多采用阵列天线或者旋相板两种结构来实现，其中阵列天线使用了复杂的功分馈电系统，实现的模态数与功分器的种类有关，极大多数功分馈电系统仅能支持涡旋天线实现单一模态或者两个模态，且结构复杂、设计复杂，一体化难度大，而且无法实现宽带性能。


技术实现要素：

4.鉴于上述的分析，本实用新型旨在公开了一种用于大容量数据传输的宽带涡旋天线，解决天线的大容量数据传输问题。
5.本实用新型公开了一种用于大容量数据传输的宽带涡旋天线阵列及馈电网络，包括：宽带涡旋天线阵列和馈电网络；
6.所述宽带涡旋天线阵列，包括4组同心圆天线阵列和位于圆心的单个天线单元；每组圆天线阵列包括在圆上均匀分布的8个天线单元；
7.所述馈电网络，包括4个分别与4组同心圆天线阵列分别电连接的butler矩阵，以及与位于圆心的天线单元电连接的馈电线；
8.每个butler矩阵均为8
×
8butler矩阵；8
×
8butler矩阵的8个输出端通过馈电线与对应组的同心圆天线阵列的8个天线单元的馈电线连接。
9.进一步地，所述宽带涡旋天线阵列中的每个天线单元均为缝隙贴片天线。
10.具体的，所述缝隙贴片天线上包括三个相互垂直的组成“l”形的直线开缝边，和一个圆形的开孔；其中，三个直线开缝边的开缝宽度相同；圆形的开孔用于连接馈电线。
11.进一步地，所述三个直线开缝边的开缝宽度为0.5mm；第一直线段l1的长度为4.9mm；第二直线段l1的长度为2.55mm；第三直线段l1的长度为l3＝3.5mm。
12.进一步地，所述宽带涡旋天线阵列包括的4组同心圆天线阵列中的每一个天线单元和位于圆心的天线单元的开缝的方向相同。
13.进一步地，4组同心圆天线阵列的4个同心圆的半径分别是20mm、35mm、50mm、65mm。
14.进一步地，所述8
×
8butler矩阵包括12个3db定向耦合器、2个交叉结、7个-90
°
定向移相器和2个-45
°
定向移相器。
15.进一步地，所述8
×
8butler矩阵采用双面pcb走线结构。
16.进一步地，所述双面pcb走线结构包括顶层金属走线层、第一介质板层、中间层、粘合剂层、第二介质板层和底层金属走线层；
17.中间层为地板层；中间层与顶层金属走线层之间为第一介质板层；第一介质板层采用罗杰斯4003c；中间层与底层金属走线层之间依次为粘合剂层和第二介质板层；
18.粘合剂层采用介电常数为3.55pp片粘合剂层；第二介质板层采用罗杰斯4003c；粘合剂层和第二介质板层的厚度之和与第一介质板层的厚度相等。
19.进一步地，第一介质板层的罗杰斯4003c厚度选用标准的0.305mm；粘合剂层的厚度为0.101mm；第二介质板层的罗杰斯4003c厚度选用标准的0.203mm。
20.本实用新型至少可实现以下有益效果之一：
21.本实用新型公开的用于大容量数据传输的宽带涡旋天线可以实现大容量数据传输。在采用4组同心圆天线阵列时，经过butler矩阵馈电后可以达到4*5+1＝21倍的增容。
22.在天线单元采用了金属贴片开缝的形式，在金属贴片上开缝，一方面延长了电流路径，减少电流反射，另一方面引入电感分量，与金属地面的电容构成lc谐振回路，从而引入二次谐振达到拓展工作带宽的目的。
23.采用双面pcb走线结构的butler矩阵，不仅产生支持0、
±
1、
±
2五种模态的固定相位差，而且，butler矩阵中叉结走线直接通过上下层走线避开相交部分，避免了耦合器级联型交叉结以及跳线的设计，减少电路损耗以及复杂度。
附图说明
24.附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本实用新型的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
25.图1为本实用新型实施例中的宽带涡旋天线组成连接示意图；
26.图2为本实用新型实施例中的缝隙贴片天线结构图；
27.图3为本实用新型实施例中的宽带涡旋天线阵列结构图；
28.图4为本实用新型实施例中的8
×
8butler矩阵组成连接原理图；
29.图5为本实用新型实施例中的butler矩阵结构剖视图。
30.附图标记：1-第一3db定向耦合器，2-第一-45
°
定向移相器，3-第一交叉结，4-第二3db定向耦合器，5-第二-45
°
定向移相器，6-第五3db定向耦合器6，7-第六3db定向耦合器7，8-第三3db定向耦合器8，9-第二交叉结，10-第四3db定向耦合器10，11-第一-90
°
定向移相器，12-第七3db定向耦合器，13-第八3db定向耦合器；14-第二-90
°
定向移相器，15-第九3db定向耦合器，16-第十3db定向耦合器，17-第四-90
°
定向移相器，18-第五-90
°
定向移相器，19-第十一3db定向耦合器，20-第十二3db定向耦合器，21-第六-90
°
定向移相器，22-第七-90
°
定向移相器；
31.51-顶层金属走线层，52-第一介质板层，53-中间层，54-粘合剂层，55-第二介质板层，56-底层金属走线层。
具体实施方式
32.下面结合附图来具体描述本实用新型的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本实用新型的实施例一起用于阐释本实用新型的原理。
33.本实用新型的一种用于大容量数据传输的宽带涡旋天线，如图1所示，包括：所述宽带涡旋天线阵列，包括4组同心圆天线阵列和位于圆心的单个天线单元；每组圆天线阵列包括在圆上均匀分布的8个天线单元；
34.所述馈电网络，包括4个分别与4组同心圆天线阵列分别电连接的butler矩阵，以及与位于圆心的天线单元电连接的馈电线；
35.每个butler矩阵均为8
×
8butler矩阵；8
×
8butler矩阵的8个输出端通过馈电线与对应组的同心圆天线阵列的8个天线单元的馈电线连接。
36.优选的，所述馈电线为smp转接线。
37.在所述馈电网络馈电后，使每组的同心圆天线阵列支持0、
±
1、
±
2五种模态的涡旋电磁波，使位于圆心的单天线单元支持0模态的涡旋电磁波。
38.采用天线阵列实现涡旋电磁波的基本原理是改变阵元间的馈电相位延迟，将若干天线单元按一定规则排列成阵列天线，利用电磁波的干涉和叠加原理来控制阵列天线各阵元之间的馈电相位差，再将电磁场辐射出的能量在空间中进行重新分配，实现能量在空间中的不均匀分布，进而得到不同模态值的涡旋电磁波，天线阵列形式一般采用圆形均匀阵列，同一模态阵列阵元之间都具有固定的相位差且l为涡旋电磁波的模态值，m表示均匀圆形阵列的阵元数量；在本实施例中m＝8；即采用8个天线单元。
39.具体的，如图2所示，所述宽带涡旋天线阵列中的每个天线单元均为缝隙贴片天线；所述缝隙贴片天线上包括三个相互垂直的组成“l”形的直线开缝边，和一个圆形的开孔；其中，三个直线开缝边l1、l2和l3的开缝宽度相同；圆形的开孔用于连接馈电线。开孔的大小与连接的同轴馈电线的直径匹配。
40.采用如图2所示的金属贴片开缝的形式，在金属贴片上开缝，一方面延长了电流路径，减少电流反射，另一方面引入电感分量，与金属地面的电容构成lc谐振回路，从而引入二次谐振达到拓展工作带宽的目的，回波损耗s11小于-10db的频段为9.3-10.5ghz，相对带宽为12％。天线的尺寸参数如下：w1＝0.5mm，第一直线段l1的长度为4.9mm；第二直线段l1的长度为2.55mm；第三直线段l1的长度为l3＝3.5mm。
41.具体的，如图3所示，所述宽带涡旋天线阵列包括的4组同心圆天线阵列中的每一个天线单元和位于圆心的天线单元的开缝的方向相同。
42.优选的，四个同心圆阵列以及圆心的单天线组成的阵列中，四个同心圆的半径分别是20mm、35mm、50mm、65mm，同心圆之间应尽可能的紧凑，因为半径过大会导致涡旋波的发散角过大，不利于涡旋波的接收，四个同心圆阵列均支持0、
±
1、
±
2五种模态，圆心的单天线仅支持0模态，由于oam不同模态相互正交，所以经过butler矩阵馈电后可以达到4*5+1＝21倍的增容。
43.具体的，所述馈电网络，包括4个分别与4组同心圆天线阵列分别电连接的butler矩阵，由于每组同心圆天线阵列中的天线阵元数为8；在本实施例中，每个butler矩阵均为8
×
8butler矩阵；用于产生支持0、
±
1、
±
2五种模态的固定相位差，给没组同心圆天线阵列中的8个天线单元供电，实现对0、
±
1、
±
2五种模态的涡旋电磁波复用。
44.如图4所示，所述8
×
8butler矩阵包括12个3db定向耦合器、2个交叉结、7个-90
°
定向移相器和2个-45
°
定向移相器。
45.i1-i8为输入端，o1-o8为输出端，输出端依次接天线阵列的相邻阵元，输入端引入输入信号。
46.输入端i1、i2连接第一3db定向耦合器1的第一、第二输入端；第一3db定向耦合器1的第一输出端连接第一-45
°
定向移相器2的输入端；第一3db定向耦合器1的第二输出端连接第一交叉结3的第一输入端；
47.输入端i3、i4连接第二3db定向耦合器4的第一、第二输入端；第二3db定向耦合器4的第一输出端连接第二-45
°
定向移相器5的输入端；第二3db定向耦合器4的第二输出端连接第一交叉结4的第二输入端；
48.第一-45
°
定向移相器2的输出端、第一交叉结3的第一输出端分别连接第五3db定向耦合器6的第一、第二输入端；
49.第一交叉结3的第二输出端、第二-45
°
定向移相器5的输出端分别连接第六3db定向耦合器7的第一、第二输入端；
50.输入端i5、i6连接第三3db定向耦合器8的第一、第二输入端；第三3db定向耦合器8的第二输出端连接第二交叉结9的第一输入端；
51.输入端i7、i8连接第四3db定向耦合器10的第一、第二输入端；第四3db定向耦合器10的第一输出端连接第二交叉结9的第二输入端；第四3db定向耦合器10的第二输出端连接第一-90
°
定向移相器11的输入端；
52.第三3db定向耦合器8的第一输出端、第二交叉结9的第一输出端分别连接第七3db定向耦合器12的第一、第二输入端；
53.第二交叉结9的第二输出端、第一-90
°
定向移相器11的输出端分别连接第八3db定向耦合器13的第一、第二输入端；
54.第五3db定向耦合器6的第一输出端连接第九3db定向耦合器15的第一输入端；第五3db定向耦合器6的第二输出端连接第十3db定向耦合器16的第一输入端；
55.第七3db定向耦合器12的第一输出端连接第九3db定向耦合器15的第二输入端；第七3db定向耦合器12的第二输出端通过第二-90
°
定向移相器14连接第十3db定向耦合器16的第二输入端；
56.第六3db定向耦合器7的第一输出端连接第十一3db定向耦合器19的第一输入端；第六3db定向耦合器7的第二输出端连接第十二3db定向耦合器20的第一输入端；
57.第八3db定向耦合器13的第一输出端连接第十一3db定向耦合器19的第二输入端；第八3db定向耦合器的第二输出端通过第三-90
°
定向移相器15连接第十二3db定向耦合器20的第二输入端；
58.第九3db定向耦合器15的第一输出端连接输出端o1，第九3db定向耦合器15的第二输出端通过第四-90
°
定向移相器17连接输出端o5；
59.第十3db定向耦合器16的第一输出端连接输出端o3，第十3db定向耦合器的第二输出端通过第五-90
°
定向移相器18连接输出端o7；
60.第十一3db定向耦合器19的第一输出端连接输出端o2，第十一3db定向耦合器19的第二输出端通过第六-90
°
定向移相器21连接输出端o6；
61.第十二3db定向耦合器20的第一输出端连接输出端o4，第十二3db定向耦合器20的第二输出端通过第七-90
°
定向移相器22连接输出端o8。
62.在8
×
8butler矩阵工作馈电时，假设信号由i1输入p(0)时，p代表功率强度，括号内表示功率矢量的相位值，单位为
°
，a1的信号为1/2p(0)，a2的信号为1/2p(-90)，b1处的信号强度为1/2p(-45)，b3处的信号强度为1/2p(-90)，c1处信号强度为1/4p(-45)，c2处的信号强度为1/4p(-135)，c3处的信号强度为1/4p(-90)，c4处的信号强度为1/4p(-180)，可以得出o1-o8的输出信号强度分别为：1/8p(-45)、1/8p(-90)、1/8p(-135)、1/8p(-180)、1/8p(-225)、1/8p(-270)、1/8p(-315)、1/8p(-360)，由此可以得出，当i1输入时，在o1-o8输出口产生了-45
°
的相位差，同理在i2-i8输入时，可以分别产生+135
°
、-135
°
、+45
°
、-90
°
、+90
°
、180
°
、0
°
的相位差，天线阵元数为8，所以对应的0、
±
1、
±
2五种模态的固定相位差分别为：0
°
、
±
45
°
、
±
90
°
，所设计的8
×
8butler矩阵能够提供所需要的5种相位差。
63.如图5所示，本实施例中的所述8
×
8butler矩阵采用双面pcb走线结构，包括顶层金属走线层51、第一介质板层52、中间层53、粘合剂层54、第二介质板层55和底层金属走线层56；
64.中间层为地板层；中间层与顶层金属走线层之间为第一介质板层；第一介质板层采用罗杰斯4003c；中间层与底层金属走线层之间依次为粘合剂层和第二介质板层；
65.粘合剂层采用介电常数为3.55pp片粘合剂层；第二介质板层采用罗杰斯4003c；粘合剂层和第二介质板层的厚度之和与第一介质板层的厚度相等。
66.优选的，第一介质板层的罗杰斯4003c厚度选用标准的0.305mm；粘合剂层的厚度为0.101mm；第二介质板层的罗杰斯4003c厚度选用标准的0.203mm；通过选择厚度使顶层走线和底层走线的电性能一致。
67.具体的，所述3db宽带耦合器的双面pcb走线结构中，3db宽带耦合器的耦合部分包括共长轴的顶层椭圆金属片、地板层椭圆金属空洞和底层椭圆金属片；其中顶层椭圆金属片和底层椭圆金属片的短轴长度相同，与地板层椭圆金属空洞的短轴长度不同。
68.所述顶层椭圆金属片的长轴两端沿长轴方向引出等宽的两条金属直线段；两条所述金属直线段在引出设定的长度后，在顶层平面内分别向相反方向弯折90
°
后继续引出分别作为顶层耦合输入口和顶层耦合输出口；
69.所述底层椭圆金属片的长轴两端沿长轴方向引出与顶层椭圆金属片的金属直线段等宽的两条金属直线段后，在底层平面内分别向相反方向弯折90
°
后继续引出分别作为底层耦合输入口和底层耦合输出口；
70.弯折后，所述顶层、底层耦合输入口位于双面pcb走线结构的同侧，顶层、底层耦合输出口位于双面pcb走线结构的同侧。
71.具体的，在本实施例中3db宽带耦合器结构中，所述顶层耦合输出口的相位滞后顶层耦合输入口90
°
；所述底层耦合输出口的相位滞后底层耦合输入口90
°
。
72.优选的，本实施例中给出了3db宽带耦合器的最佳参数如下：地板层椭圆金属空洞的短轴长度wb1＝4.7mm；顶层椭圆金属片、地板层椭圆金属空洞和底层椭圆金属片的长轴长度wb2＝5.2mm；顶层椭圆金属片和底层椭圆金属片的短轴长度wb3＝3mm。
73.具体的，宽带移相器的双面pcb走线结构中，宽带移相器的耦合部分包括共长轴的顶层椭圆金属片、地板层椭圆金属空洞和底层椭圆金属片；其中顶层椭圆金属片和底层椭
圆金属片的短轴长度相同，与地板层椭圆金属空洞的短轴长度不同；
74.在顶层椭圆金属片的长轴一端沿长轴方向引出一条固定长度的金属直线段；在底层椭圆金属片的长轴另一端沿长轴方向引出固定长度的一条金属直线段；两条金属直线段的端口分别作为宽带移相器的输入口和输出口。
75.wc1为顶层椭圆金属片和底层椭圆金属片的短轴长度；wc2为顶层椭圆金属片、地板层椭圆金属空洞和底层椭圆金属片的长轴长度；wc3为地板层椭圆金属空洞的短轴长度。
76.通过控制顶层椭圆金属片和底层椭圆金属片短轴的长度wc1控制移相的角度。wc1越小时，移相量越大。
77.优选的，本实施例中的两种移相器分别为宽带45
°
移相器和宽带90
°
移相器。对于这两种移相器最佳参数如下：
78.宽带45
°
移相器：wc1＝1.8mm、wc2＝4.8mm、wc3＝3.3mm；
79.宽带90
°
移相器：wc1＝1mm、wc2＝3.5mm、wc3＝2.8mm。
80.具体的，所述交叉结的双面pcb走线结构中，顶层金属走线层包括三段首尾相接的金属直线段所构成一条折线段，中间段与首、尾段的折角均为90
°
且首、尾段不在中间段的同侧；底层金属走线层包括与顶层金属走线层相同的三段首尾相接的金属直线段构成一条折线段；两条折线段的中间段位置重合；首段和尾段的位置镜像。
81.通过本实施例的双层走线，交叉结走线直接通过上下层走线避开相交部分，避免了耦合器级联型交叉结以及跳线的设计，减少电路损耗以及复杂度。
82.将上述的3db宽带耦合器、宽带45
°
移相器、宽带90
°
移相器和交叉结的走线结构应用到8
×
8butler矩阵中，得到8
×
8butler矩阵的双层走线结构。
83.本实施例的宽带涡旋天线应用于大容量涡旋电磁阵列系统作为发射天线阵列和接收天线阵列，在大容量数据的传输场景实现数据的增容传输。
84.综上所述，本实用新型实施例公开的用于大容量数据传输的宽带涡旋天线可以实现大容量数据传输。在采用4组同心圆天线阵列时，经过butler矩阵馈电后可以达到4*5+1＝21倍的增容。在天线单元采用了金属贴片开缝的形式，在金属贴片上开缝，一方面延长了电流路径，减少电流反射，另一方面引入电感分量，与金属地面的电容构成lc谐振回路，从而引入二次谐振达到拓展工作带宽的目的。采用双面pcb走线结构的butler矩阵，不仅产生支持0、
±
1、
±
2五种模态的固定相位差，而且，butler矩阵中叉结走线直接通过上下层走线避开相交部分，避免了耦合器级联型交叉结以及跳线的设计，减少电路损耗以及复杂度。
85.以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。