本发明涉及无线通信领域，具体而言，涉及一种天线。
背景技术：
快速增长的无线通信网络数据总量与日趋匮乏的频谱资源之间的矛盾变得日益突出，为了解决这一矛盾，急需探索新的复用维度和技术来大幅提升频谱效率。近年来，研究者们发现电磁波轨道角动量(orbitalangularmomentum，oam)不同模态之间的正交性可以作为信息传输载体进行复用，从而显著提高无线传输速率；近期研究显示，在毫米波频段基于轨道角动量模态复用技术可以实现高达32gbit/s的无线传输速率，因此，继频分、时分、码分和空分复用之后，模态复用作为一种全新的复用技术而备受关注。
轨道角动量天线作为模态复用无线通信系统的信号收发装置，不仅承担着轨道角动量电磁波的产生和发射，而且面向无线移动通信应用，还要求具备体积小、重量轻、多功能等特点。目前的轨道角动量天线主要包括相位全息板，螺旋相位板，反射面天线，行波缝隙天线，介质天线，微带天线，基片集成天线和贴片阵列天线。来源于光学领域的相位全息板和螺旋相位板因其模态调节不便，在低频微波段，较大的质量和体积都难以满足无线移动通信应用需求。反射面天线在实现多模态方面有一定优势，但是其体积较大、安装较复杂、难以系统集成。介质天线与行波缝隙天线由于模态调节不灵活、质量和体积较大，应用也受到较大限制。对比而言，微带天线、基片集成天线和贴片阵列天线具有平面化、重量轻等诸多优点；但是，单个微带天线和基片集成天线可实现的模态数量非常有限，而贴片阵列天线不仅具有较大的可实现模态数量，而且天线的极化和模态调节十分灵活，因此贴片阵列天线在模态复用无线通信系统中具有很好的应用前景。
然而，现有的轨道角动量贴片阵列天线，往往存在天线的极化和模态重构不够灵活便捷，因此，如何能够实现在保持天线体积小、重量轻、成本低、易集成的同时，灵活简便地提高无线通信信道容量，成为业界的一大难题。
技术实现要素：
鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种天线，以解决上述难题。
本发明实施例提供一种天线，所述天线包括：基体、馈电网络、直流偏置电路、电容耦合贴片阵列和圆形辐射贴片阵列，其中，所述基体包括由下而上依次设置的第一层介质基板、第二层介质基板和第三层介质基板，所述馈电网络设置于所述第一层介质基板的下表面，所述直流偏置电路设置于所述第二层介质基板的上表面，所述电容耦合贴片阵列设置于所述第三层介质基板的下表面，所述圆形辐射贴片阵列设置于所述第三层介质基板的上表面，所述馈电网络分别与所述直流偏置电路和所述电容耦合贴片阵列连接，所述电容耦合贴片阵列与所述圆形辐射贴片阵列连接；所述馈电网络，基于所述直流偏置电路提供的电压信号，在所述电压信号满足第一预设条件时，控制所述馈电网络输出左旋圆极化馈电信号至所述电容耦合贴片阵列，从而使所述圆形辐射贴片阵列产生左旋圆极化电磁波；在所述电压信号满足第二预设条件时，控制所述馈电网络输出右旋圆极化馈电信号至所述电容耦合贴片阵列，从而使所述圆形辐射贴片阵列产生右旋圆极化电磁波。
进一步地，所述圆形辐射贴片阵列对称旋转分布在所述第三层介质基板的上表面，在所述圆形辐射贴片阵列产生所述左旋圆极化电磁波时，辐射场沿顺时针变化2π，所述天线处于模态为l＝1的工作状态；在所述圆形辐射贴片阵列产生所述右旋圆极化电磁波时，辐射场相位沿逆时针变化2π，所述天线处于模态为l＝-1的工作状态。
进一步地，所述第二层介质基板的下表面与所述第一层介质基板的上表面贴合设置，所述第二层介质基板的上表面与所述三层介质基板的下表面之间存在间隔。
进一步地，所述馈电网络包括：功分器单元、四个馈电单元，所述功分器单元分别与所述四个馈电单元连接；所述功分器单元，用于将输入信号划分为四路等幅同相位信号，并分别馈送至所述四个馈电单元。
进一步地，所述馈电单元包括：第一功分器、移相主电路、第一移相参考电路以及第二移相参考电路，其中，所述第一功分器的输出端通过第一正向二极管和所述第一反向二极管与所述移相主电路的输入端连接，通过所述第二正向极管与所述第一移相参考电路的输入端连接，通过所述第二反向极管与所述第二移相参考电路的输入端连接；在所述馈电单元获取的电压信号满足所述第一预设条件时，所述第一正向二极管和所述第二正向二极管导通，所述馈电单元输出书所述左旋圆极化电磁波；在所述馈电单元获取的电压信号满足所述第二预设条件时，所述第一反向二极管和所述第二反向二极管导通，所述馈电单元输出所述右旋圆极化电磁波。
进一步地，所述功分器单元包括：第二功分器、第三功分器和第四功分器，其中，所述第三功分器的第一输出端与所述第二功分器输入端连接，所述第三功分器的第二输出端与所述第四功分器输入端连接。
进一步地，所述第三功分器的输入端设置有外部输入端口，所述外部输入端口与外部设备连接。
进一步地，所述直流偏置电路与所述馈电网络通过高频电感连接，其中，所述馈电网络通过所述高频电感获取所述直流偏置电路提供的电压信号。
进一步地，所述馈电网络与所述电容耦合贴片阵列通过金属探针连接，其中，所述馈电网络输出的信号通过所述金属探针传输至所述电容耦合贴片。
本发明实施例提供一种天线，所述天线包括：基体、馈电网络、直流偏置电路、电容耦合贴片阵列和圆形辐射贴片阵列，其中，所述基体包括由下而上依次设置的第一层介质基板、第二层介质基板和第三层介质基板，所述馈电网络设置于所述第一层介质基板的下表面，所述直流偏置电路设置于所述第二层介质基板的上表面，所述电容耦合贴片阵列设置于所述第三层介质基板的下表面，所述圆形辐射贴片阵列设置于所述第三层介质基板的上表面，所述馈电网络分别与所述直流偏置电路和所述电容耦合贴片阵列连接，所述电容耦合贴片阵列与所述圆形辐射贴片阵列连接；所述馈电网络，用于获取所述直流偏置电路提供的电压信号，在所述电压信号满足第一预设条件时，控制所述馈电网络输出左旋圆极化馈电信号至所述电容耦合贴片阵列，从而使所述圆形辐射贴片阵列产生左旋圆极化电磁波；在所述电压信号满足第二预设条件时，控制所述馈电网络输出右旋圆极化馈电信号至所述电容耦合贴片阵列，从而使所述圆形辐射贴片阵列产生右旋圆极化电磁波，天线的极化调节十分简便，从而有效地实现在保持天线体积小、重量轻、成本低、易集成的同时，灵活简便地提高无线通信信道容量。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的一种天线的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种地平面的电路结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种圆形辐射贴片阵列的电路结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种馈电网络的电路结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种直流偏置电路的电路结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种电容耦合贴片阵列的电路结构示意图；
图7本发明实施例提供的天线外部输入端口回波损耗与工作频率之间的第一关系曲线图；
图8本发明实施例提供的天线外部输入端口回波损耗与工作频率之间的第二关系曲线图；
图9为本发明实施提供的天线在平面内的第一辐射增益方向图；
图10为本发明实施提供的天线在平面内的第二辐射增益方向图；
图11为本发明实施例提供的天线的第一轴比方向图；
图12为本发明实施例提供的天线的第二轴比方向图；
图13为本发明实施例提供的天线的第一辐射场相位分布图；
图14为本发明实施例提供的天线的第二辐射场相位分布图。
图标：1-第一介质层基板；2-第二介质层基板；3-第三介质层基板；4-金属探针；11-地平面；12-馈电网络；121-外部输入端口；21-直流偏置电路；31-圆形辐射贴片阵列；32-电容耦合贴片阵列；5-电感；6-电容。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
图1为本发明实施例提供的一种天线的结构示意图，图2为本发明实施例提供的地平面11的电路结构示意图，请参照图1和图2，所述天线包括：基体、馈电网络12、地平面11、直流偏置电路21、电容耦合贴片阵列32和圆形辐射贴片阵列31，其中，所述基体包括由下而上依次设置的第一层介质基板1、第二层介质基板2和第三层介质基板3，所述馈电网络12设置于所述第一层介质基板1的下表面，所述地平面11设置于所述第一介质层基板1的上表面，所述直流偏置电路21设置于所述第二层介质基板2的上表面，所述电容耦合贴片阵列32设置于所述第三层介质基板3的下表面，所述圆形辐射贴片阵列31设置于与所述第三层介质基板3的下表面相对的上表面，所述馈电网络12分别与所述直流偏置电路21和所述电容耦合贴片阵列32连接，所述电容耦合贴片阵列32与所述圆形辐射贴片阵列31连接。
具体地，所述第二层介质基板2的下表面与所述第一层介质基板1的上表面贴合设置，所述第二层介质基板2的上表面与所述第三层介质基板3的下表面之间存在间隔。其中，在实施例中，所述第一层介质基板1、所述第二层介质基板2以及所述第三层介质基板3的长和宽均为154mm，所述第一层介质基板1、所述第二层介质基板2以及所述第三层介质基板3的高度分别为1.27mm、0.81mm和0.81mm，所述第二层介质基板2的上表面与所述第三层介质基板3的下表面之间存在6mm的空气间隔。其中，在实施例中，所述第一层介质基板1的介电常数为10.2，所述第二层介质基板2和所述第三层介质基板3的介电常数均为3.55。
所述直流偏置电路21与所述馈电网络12通过高频电感5连接，其中，所述馈电网络12通过所述高频电感5获取所述直流偏置电路21提供的电压信号。其中，在本实施例中，所述高频电感5的尺寸型号为0603。
所述馈电网络12与所述电容耦合贴片阵列32通过金属探针4连接，其中，所述馈电网络12输出的信号通过所述金属探针4传输至所述电容耦合贴片32，所述金属探针4的数量与所述馈电网络12的输出端口数量一致。其中，在本实施例中，所述金属探针4选用直径为0.6mm的铜导线。
所述馈电网络12，基于所述直流偏置电路21提供的电压信号，在所述电压信号满足第一预设条件时，控制所述馈电网络12输出左旋圆极化馈电信号，并通过相应的金属探针4将所述左旋圆极化馈电信号传送至所述电容耦合贴片阵列32，所述电容耦合贴片阵列32以电磁耦合方式将所述左旋圆极化馈电信号传送至所述圆形辐射贴片阵列31，从而使所述圆形辐射贴片阵列31产生左旋圆极化电磁波。
在所述电压信号满足第二预设条件时，控制所述馈电网络12输出右旋圆极化馈电信号至相应的金属探针4，并通过所述金属探针4将所述右旋圆极化馈电信号传送至所述电容耦合贴片阵列32，所述电容耦合贴片阵列32以电磁耦合方式将所述右旋圆极化馈电信号传送至所述圆形辐射贴片阵列31，从而使所述圆形辐射贴片阵列31产生右旋圆极化电磁波。因此，通过简单地控制所述馈电网络12的偏置电压大小，使得所述天线可在左旋圆极化/右旋圆极化之间自由切换。
请参照图3，图3为本发明实施例提供的一种圆形辐射贴片阵列31的电路结构示意图，所述圆形辐射贴片阵列31对称旋转分布在所述第三层介质基板3的上表面，其中，在本实施例中，所述圆形贴片有4个，且直径均为25mm，且绕z轴呈对称旋转分布在所述第三介质层基板3上表面的四个角，对应顺时针方向环绕中心轴一周，在所述圆形辐射贴片阵列31产生所述左旋圆极化电磁波时，辐射场相位变化刚好等于2π，即对应的轨道角动量模态为l＝1，所述天线处于模态为l＝1的工作状态。
在所述圆形辐射贴片阵列31产生所述右旋圆极化电磁波时，辐射场相位沿逆时针变化2π，即对应的轨道角动量模态为l＝-1，所述天线处于模态为l＝-1的工作状态。因此，通过简单地控制所述馈电网络12的偏置电压，使得所述天线可在左旋圆极化/右旋圆极化和l＝1/l＝-1模态之间进行灵活切换与重构，从而达到实现多复用维度融合功能的目的。
请参照图4，图4为本发明实施例提供的一种馈电网络12的电路结构示意图，所述馈电网络12包括：功分器单元、四个馈电单元，所述功分器单元通过高频电容6分别与所述四个馈电单元连接。
所述功分器单元，用于将输入信号划分为四路等相位信号，并分别馈送至所述四个馈电单元。
所述功分器单元包括：第二功分器pd2、第三功分器pd1和第四功分器pd3，其中，所述第三功分器pd1的第一输出端与所述第二功分器pd2的输入端连接，所述第三功分器pd1的第二输出端与所述第四功分器pd3的输入端连接，所述第三功分器pd1的输入端与外部输入端口121连接，所述外部输入端口121设置在所述第一介质层基板1的边沿位置，所述外部输入端口121用于与外部设备连接，在所述外部输入端口121用于安装微带线到同轴电缆的转换接头，以便与其它的射频系统进行连接。
具体地，所述四个馈电单元包括：第一馈电单元a、第二馈电单元b、第三馈电单元c、第四馈电单元d，其中，所述四个馈电单元的电路结构相同，所述第一馈电单元a和所述的第四馈电单元d的输入端分别通过所述高频电容6与所述第四功分器pd3的输出端连接，所述第二馈电单元b和所述第三馈电单元c的输入端分别通过所述高频电容6与所述第二功分器pd2的输出端连接，从而防止射频信号泄露以及直流干扰。
所述馈电单元包括：第一功分器pda、移相主电路ps0、第一移相参考电路ps1以及第二移相参考电路ps2，其中，所述第一功分器pda的第一输出端通过第一正向二极管df1和所述第一反向二极管db1分别与所述移相主电路ps0的输入端和所述第二移相参考电路ps2连接，所述第一功分器pda的第二输出端通过所述第二正向极管df2和所述第二反向二极管db2分别与所述第一移相参考电路ps1的输入端和所述移相主电路ps0的输入端连接，其中，在本实施例中，所述第一正向二极管df1、所述第一反向二极管db1、所述第二正向二极管df2和所述第二反向二极管db2均选用型号为0603的射频二极管。
在所述馈电单元获取的电压信号满足所述第一预设条件时，所述第一正向二极管df1和所述第二正向二极管df2处于导通状态，所述第一反向二极管db1和所述第二反向二极管db2处于断开状态，所述馈电单元从端口pa1和端口pa2l输出两路幅度相等，相互正交的左旋圆极化馈电信号。
在所述馈电单元获取的电压信号满足所述第二预设条件时，所述第一反向二极管db1和所述第二反向二极管db2处于导通状态，所述第一正向二极管df1和所述第二正向二极管df2处于断开状态，所述馈电单元从端口pa1和端口pa2r输出两路幅度相等，相互正交的右旋圆极化馈电信号。
请参照图5，图5为本发明实施例提供的一种直流偏置电路21的电路结构示意图，所述直流偏置电路21与所述馈电网络12通过高频电感5连接，在本发明实施例中，所述高频电感5数量有16个，其中，所述馈电网络通过所述高频电感5获取所述直流偏置电路21提供的电压信号。当所述直流偏置电路21的提供的电压为v1＝1.2v，v2＝0v时，所述馈电网络12中的所述第一正向二极管df1和所述第二正向二极管df2处于导通状态，所述第一反向二极管db1和所述第二反向二极管db2处于断开状态，所述馈电单元从端口pa1和端口pa2l输出两路幅度相等，相互正交的左旋圆极化馈电信号；当所述直流偏置电路21提供的电压为v1＝0v，v2＝1.2v时，所述第一反向二极管db1和所述第二反向二极管db2处于导通状态，所述第一正向二极管df1和所述第二正向二极管df2处于断开状态，所述馈电单元从端口pa1和端口pa2r输出两路幅度相等，相互正交的右旋圆极化馈电信号。
请参照图6，图6为本发明实施例提供的一种电容耦合贴片阵列32的电路结构示意图，所述电容耦合贴片阵列32设置在所述第三介质层基板3的下表面，所述电容耦合贴片阵列32旋转对称地分布设置于所述第三介质层基板的下表面上，所述电容耦合贴片阵列32与所述馈电网络12中的输出端口位置相互对应，所述电容耦合贴片阵列32通过相应的金属探针4获取所述馈电网络12的输出信号，继而所述电容耦合贴片阵列32通过电磁耦合方式将所述信号传送至所述圆形辐射贴片阵列31，使得所述圆形辐射贴片阵列31产生相应的左/右旋圆极化轨道角动量电磁波辐射。
图7本发明实施例提供的天线外部输入端口回波损耗与工作频率之间的第一关系曲线图，图8本发明实施例提供的天线外部输入端口回波损耗与工作频率之间的第二关系曲线图，请参照图7和图8，由图7可知，当天线直流偏置电路21提供v1＝1.2v，v2＝0v时，天线工作在左旋圆极化、l＝1的工作模式下，天线外部输入端口回波损耗与工作频率之间的关系，在工作频率为2.18ghz-2.75ghz范围内，天线外部输入端口回波损耗大于10db，由图8可知，当天线直流偏置电路21提供v1＝0v，v2＝1.2v时，天线工作在右旋圆极化、l＝-1的工作模式下，天线外部输入端口回波损耗与工作频率之间的关系，在工作频率为2.21ghz-2.73ghz范围内，天线外部输入端口回波损耗大于10db，试验结果与仿真结果趋于一致，因此验证本发明天线的有效性。
图9为本发明实施提供的天线在平面内的第一辐射增益图，图10为本发明实施提供的天线在平面内的第二辐射增益图，请参照图9，当天线工作频率设定在2.5ghz时，当天线直流偏置电路21提供v1＝1.2v，v2＝0v时，天线工作在左旋圆极化、l＝1的工作模式下，天线在phi＝0度和phi＝90度两个平面内，天线辐射增益的变化情况，由图9可知，天线辐射方向图呈现中间弱周围强的圆环状分布，试验结果与仿真结果趋于一致，天线辐射最大增益为5.9dbi；请参照图10，当天线工作频率设定在2.5ghz时，当天线直流偏置电路21提供v1＝0v，v2＝1.2v时，天线工作在右旋圆极化、l＝-1的工作模式下，天线在phi＝0度和phi＝90度两个平面内，天线辐射增益的变化情况，由图10可知，天线辐射方向图呈现中间弱周围强的圆环状分布，试验结果与仿真结果趋于一致，天线最大增益为5.3dbi。
图11为本发明实施例提供的天线的第一轴比方向曲线图，图12为本发明实施例提供的天线的第二轴比方向曲线图，请参照图11，当天线工作频率设定在2.5ghz时，当天线直流偏置电路21提供v1＝1.2v，v2＝0v时，天线工作在左旋圆极化、l＝1的工作模式下，天线在phi＝0度和phi＝90度两个平面内，天线轴比变化情况，请参照图12，当天线直流偏置电路21提供v1＝0v，v2＝1.2v时，天线工作在右旋圆极化、l＝-1的工作模式下，天线在phi＝0度和phi＝90度两个平面内，天线轴比变化情况，请参照图11和图12，由图可知，在增益下降3db的波束主瓣范围内，天线轴比均小于3db，分别对应左旋圆极化和右旋圆极化辐射，因此，圆极化特性完全满足实际应用需求。
图13为本发明实施例提供的天线的第一辐射场相位分布图，图14为本发明实施例提供的天线的第二辐射场相位分布图，请参照图13，当天线的工作频率设定在2.5ghz时，当天线直流偏置电路21提供v1＝1.2v，v2＝0v时，辐射相位变化沿顺时针方向变化360度，即对应轨道角动量模态l＝1，请参照图14，当天线的工作频率设定在2.5ghz时，当天线直流偏置电路21提供v1＝0v，v2＝1.2v时，辐射相位变化沿逆时针方向变化360度，即对应轨道角动量模态l＝-1，试验结果表明本发明实施例提供的天线具有良好的回波损耗、增益、可重构的双圆极化和双模态特性。
综上所述，本发明提供一种天线，包括：基体、馈电网络、直流偏置电路、电容耦合贴片阵列和圆形辐射贴片阵列，其中，所述基体包括由下而上依次设置的第一层介质基板、第二层介质基板和第三层介质基板，所述馈电网络设置于所述第一层介质基板的下表面，所述直流偏置电路设置于所述第二层介质基板的上表面，所述电容耦合贴片阵列设置于所述第三层介质基板的下表面，所述圆形辐射贴片阵列设置于所述第三层介质基板的上表面，所述馈电网络分别与所述直流偏置电路和所述电容耦合贴片阵列连接，所述电容耦合贴片阵列与所述圆形辐射贴片阵列连接；所述馈电网络，基于所述直流偏置电路提供的电压信号，在所述电压信号满足第一预设条件时，控制所述馈电网络输出左旋圆极化馈电信号至所述电容耦合贴片阵列，从而使所述圆形辐射贴片阵列产生左旋圆极化、模态l＝1的电磁波；在所述电压信号满足第二预设条件时，控制所述馈电网络输出右旋圆极化馈电信号至所述电容耦合贴片阵列，从而使所述圆形辐射贴片阵列产生右旋圆极化、模态l＝-1电磁波，天线的圆极化方向和模态调节十分简便，从而有效地实现在保持天线体积小、重量轻、成本低、易集成的同时，为灵活简便地提高无线通信信道容量提供了条件。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。