一种基于环形槽线的oam螺旋波束发生器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于OAM射频无线通信技术领域，具体涉及一种基于环形槽线的OAM 螺旋波束发生器。
【背景技术】
[0002] 近年来通信技术的快速发展对通信容量提出了越来越高的要求，如何提高频率利 用率，尽可能提高系统容量，已成为业界极其关心的问题。
[0003] 角动量是电磁波的基本物理特性之一，它大体上划分为旋转角动量（SAM)和轨道 角动量（OAM)。相比于旋转角动量，轨道角动量前景更好，因为旋转角动量由于它电磁波的 极化状态只提供了有限的信道；然而轨道角动量拥有无限多个相互正交的模式，因而在理 论上能够提供许多传输信道从而提高传输容量。
[0004] 轨道角动量复用技术在光频段已经实现，中国专利CN104007567A、CN103941405A、 CN103487956A等对轨道角动量复用技术在光频段的实现方法进行了介绍；然而轨道角动 量复用技术在射频频段实现较为困难，目前，中国专利CN103474776A公开了一种基于环形 行波天线产生射频轨道角动量波束的方法，在理论层面论证了产生射频OAM波束的环形行 波天线的特点；中国专利CN103474777A公开了一种基于金属环形腔的产生射频OAM波束 的环形行波天线，通过在环形金属腔顶面开缝，在金属环形腔侧面相距1/4圆周处开有两 个波端口接金属波导作为双源激励端口，当这两个激励端口中输入相同频率，相位相差士 90°的微波源，金属环形腔中的电磁场成绕圆周顺时针或者逆时针传播的行波分布，由金 属腔顶面的开缝处向空间辐射电磁波，构成一种环形行波天线，然而，上述发明公开的行波 天线结构复杂，难于制作，且不易集成，不利于加快和促进未来的射频OAM波束高速通信发 展。
[0005] 因此，急需研究开发一种结构简单，易于制作集成的能够产生射频OAM螺旋波束 的发生器。 【实用新型内容】
[0006] 本实用新型的目的在于提供一种结构简单，易于制作集成的基于环形槽线的OAM 螺旋波束发生器。
[0007] 本实用新型的目的是这样实现的，包括设置于第一铜板上表面的圆环形槽线、设 置于第一铜板下表面的介质基板，设置于介质基板下表面的微带馈电网络，以及设置于介 质基板下方的第二铜板，所述介质基板与第二铜板之间设置多个支撑介质柱，所述圆环形 槽线上沿圆周方向分别设置有波源激励端口 Pl和波源激励端口 P2 ;所述微带馈电网络包 括相移功分器、与相移功分器输入端相连接的信号输入端口 p3以及分别与相移功分器的 输出端相连接的输出微带线ql和输出微带线q2 ;所述输出微带线ql对波源激励端口 Pl进 行馈电，所述输出微带线q2对波源激励端口 p2进行馈电；所述第一铜板与第二铜板的边缘 外围采用环形铜板包覆。
[0008] 本实用新型针对具有巨大应用潜力的OAM无线通信系统，提出了一种简单可行的 基于环形槽线的OAM螺旋波束发生器；对于构建OAM无线通信系统，加快OAM无线通信的实 用化，具有非常重要的意义。
[0009] 本实用新型的圆环形槽线使用微带线进行激励，设计了一个威尔金森功分器来为 圆环形槽线提供两个相位相差90°的波源，在圆环形槽线中形成行波，辐射到空气中产生 射频OAM波束，并且通过改变环形槽线尺寸能产生不同模式数的OAM螺旋波束，该波束发生 器结构简易，易于制作集成。
【附图说明】
[0010] 图1为本实用新型的结构示意图；
[0011] 图2为本实用新型中圆环形槽线的示意图；
[0012] 图3为本实用新型中微带馈电网络的示意图；
[0013] 图4为本实用新型中圆环形槽线与微带馈电网络相对位置关系的示意图；
[0014] 图中：1-第一铜板、2-圆环形槽线、3-介质基板、4-第二铜板、5-支撑介质柱、 6_相移功分器、7-环形铜板。
【具体实施方式】
[0015] 下面结合附图对本实用新型作进一步的说明，但不得以任何方式对本实用新型加 以限制，基于本实用新型教导所作的任何变更或改进，均属于本实用新型的保护范围。
[0016] 如图1-4所示，本实用新型包括设置于第一铜板1上表面的圆环形槽线2、设置于 第一铜板1下表面的介质基板3,设置于介质基板3下表面的微带馈电网络，以及设置于介 质基板3下方的第二铜板4,所述介质基板3与第二铜板4之间设置多个支撑介质柱5,所 述圆环形槽线2上沿圆周方向分别设置有波源激励端口 pi和波源激励端口 p2 ;所述微带 馈电网络包括相移功分器6、与相移功分器6输入端相连接的信号输入端口 p3以及分别与 相移功分器6的输出端相连接的输出微带线ql和输出微带线q2 ;所述输出微带线ql对波 源激励端口 Pl进行馈电，所述输出微带线q2对波源激励端口 p2进行馈电；所述第一铜板 1与第二铜板2的边缘外围采用环形铜板7包覆。
[0017] 所述圆环形槽线2上沿圆周方向设置的波源激励端口 pi和波源激励端口 p2之间 的距离为n± 1/4倍的圆环形槽线2的波导波长，其中η的取值为整数。
[0018] 所述构成微带馈电网络的输出微带线ql的长度与输出微带线q2的长度相差 n± 1/4倍的输出微带线ql的波导波长，其中η的取值为整数。
[0019] 所述相移功分器6为威尔金森功分器。
[0020] 所述第一铜板1与第二铜板4之间相距1/4倍自由空间波长。
[0021] 实施例1
[0022] 步骤一：采用宽度w=2mm的微带线设计工作模式? =3,工作频率f=2. 4GHZ的圆环 形槽线2,采用FR4_epoxy，其介电常数:)￡^.=4. 4,厚度h=l. 6mm的板材制作介质基板3 ;其中 圆环形槽线2的波导波长为圆环形槽线的周长C为i倍波导波长^.，根据公式(一） 计算得到环形槽线天线1的波导波长％ :，
[0023]
(一）
[0024] 其中^为自由空间波长，Λ =H/，其中c为光速，f为工作频率；
[0025] 通过上述计算得出，圆环形槽线2的波导波长=95. 96mm，圆环形槽线2的周长 为?倍波导波长，即C=287. 88mm，设置于圆环形槽线2上的波源激励端口 pi和波源激励端 口 P2之间相距3/4倍的圆环形槽线2的波导波长，即波源激励端口 pi和波源激励端口 p2 之间相距71. 97mm，从而实现圆环形槽线2的设计。
[0026] 步骤二：将工作频率为1-4GHZ的威尔金森功分器的输出端口分别连接输出微带 线ql和输出微带线q2,所述输出微带线ql和输出微带线q2采用宽度霄:=3mm的微带线制 作，根据公式(二)计算得出等效介电常数箱，根据公式(三)计算得输出微带线Ql的波导波 长足'，
[0027] (二）
[0028] (三）
[0029] 计算得出输出微带线ql的波导波长:? =68mm，将输出微带线ql和输出微带线q2 之间的长度差调整为1/4倍的输出微带线ql的波导波长，即输出微带线ql比输出微带线 q2延长17mm，从而实现威尔金森功分器两输出端输出90°的相差；调整两输出微带线的走 向布局，使得两个输出微带线的相对位置关系与圆环形槽线2的两个波源激励端口的位置 关系一致，从而实现微带馈电网络的设计。
[0030] 步骤三：将圆环形槽线2刻蚀在第一铜板1的上表面，将由威尔金森功分器改造形 成的微带馈电网络刻蚀在介质基板3的下表面；同轴探针穿过第一铜板1和介质基板3连 接到信号输入端口 p3作为威尔金森功分器的信号输入，两个输出微带线沿径向方向延伸 到圆环形槽线的两个波源激励端口的下方，分别对圆环形槽线的两个波源激励端口进行馈 电，在与第一铜板1相距1/4倍自由空间波长^处放置第二铜板4,同时第一铜板1与第二 铜板4的边缘外围采用环形铜板7包覆；所述第一铜板1下表面与介质基板3于第二铜板4 之间均匀设置4个介电常数为2. 1的聚四氟乙烯支撑介质柱5 ;从而实现能够产生射频OAM 螺旋波束的发生器的设计。
[0031] 步骤四：采用HFSS软件对设计出的发生器进行建模和仿真，得到环形行波天线在 空间辐射的电场相位分布图，由图可见电场相位围绕传播方向轴的圆周角的变化呈现涡旋 特性，且电场相位沿圆周一圈变化满足2iTl = 6r，符合工作模式为3的螺旋波束特性。
[0032] 实施例2
[0033] 步骤一：采用宽度w=2mm的微带线设计工作模式? =2,工作频率f=2. 4GHZ的圆环 形槽线2,采用FR4_epoxy，介电常数$[· =4. 4,厚度h=l. 6mm的板材制作介质基板3 ;其中圆 环形槽线2的波导波长为^.，圆环形槽线2的周长C为I倍波导波长％.，根据公式(一)计 算得到环形槽线天线2的波导波长Λ
[0034]
(一）
[0035] 其中表为自由空间波长，，其中c为光速，f为工作频率；
[0036] 通过上述计算得出，圆环形槽线2的波导波长^ =95. 96mm，圆环形槽线2的周长 为?倍波导波长，即C=287. 88mm，设置于圆环形槽线2上的波源激励端口 pi和波源激励端 口 P2之间相距1/4倍的圆环形槽线2的波导波长，即波源激励端口 pi和波源激励端口 p2 之间相距24mm，从而实现圆环形槽线2的设计。
[0037] 步骤二：将工作频率为1-4GHZ的威尔金森功分器的输出端口分别连接输出微带 线ql和输出微带线q2,所述输出微带线ql和输出微带线q2采用宽度观=3mm的微带线制 作，根据公式(二)计算得出等效介电常数:巧，根据公式(三)计算得输出微带线ql的波导波 长七，
[0038] (二）
[0039] (三）
[0040] 计算得出输出微带线ql的波导波长%, =68mm，将输出微带线ql和输出微带线q2 之间的长度差调整为1/4倍的输出微带线ql的波导波长，即输出微带