基于Butler矩阵的平面轨道角动量天线的制作方法

本发明属于天线技术领域，更具体地，涉及一种平面轨道角动量天线，可用于无线通信。

背景技术：

轨道角动量oam天线是一种可以实现在同一频率上互不干扰地传输多路电磁信号的设备。电磁波可以携带的角动量分为两大类，一类是自旋角动量sam，一类是轨道角动量oam。自旋角动量主要表现在多极化方面，但是由于天线的极化分量有限，故不能大幅度提高通信容量。而轨道角动量由于理论上可以产生无穷多个相互正交的涡旋电磁波，因此可以极大地提高通信容量。近年来，携带有轨道角动量的涡旋电磁波天线最早由瑞典空间物理研究所的bothidé团队发现，见thidéb,thenh,j,etal.utilizationofphotonorbitalangularmomentuminthelow-frequencyradiodomain[j].physicalreviewletters,2007,99(8):087701.这一发现为轨道角动量天线的发展奠基。2012年，该团队在意大利泻湖的实验令世人瞩目，他们采用了大口径的螺旋抛物面天线在2.4ghz频段实现了两种不同模态的电磁波在442m的远距离复用传播，见f.tamburini,e.mari,a.sponselli,b.thide,etal.encodingmanychannelsonthesamefrequencythroughradiovorticity:firstexperimentaltest,newjournalofphysics,vol.3,pp.033001,2012.这一实验证实了轨道角动量天线可以应用在无线通信领域。

目前，微波频段涡旋电磁波产生的方法主要有：阶梯状的螺旋相位板，螺旋抛物面天线，时变阵列天线，以及相控阵天线。这几种天线均存在各自的不足。其中，阶梯状的螺旋相位板不容易设计，螺旋状抛物面天线体积较大，时变阵列天线需要复杂的控制电路，相控阵天线系统复杂度高、成本高，不易维护。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于butler矩阵的平面轨道角动量天线，以通过微带阵列减小天线体积较，降低成本。

为实现上述目的，本发明的基于butler矩阵的平面轨道角动量天线，包括：n条微带线，n个贴片天线，上、下层介质基板，金属地板，butler馈电网络和n个金属铜柱，n≥4，其特征在于：

所述n条微带线与n个贴片天线分别对应连接，均设置在上层介质基板的上表面；

所述n个贴片天线，采用圆形开槽贴片，按照中心对称方式设置在上层介质基板的上表面；

所述butler馈电网络，设置在下层介质基板的下表面，其设有n个输入端口和n个激励端口，n个输入端口通过外部的同轴电缆馈电，n个激励端口通过n个金属铜柱与n条微带线对应连接。

进一步，所述n条微带线为金属铜箔材料，一端与金属铜柱连接，另一端与多个圆形开槽贴片连接。

进一步，所述的每个圆形开槽贴片材质为金属铜箔，该圆形开槽贴片的实际半径a′计算公式如下：

其中a是计入边缘效应的等效半径，εr是上层介质基板的介电常数，h是上层介质基板的高度，c是光在真空中的速度，f11是处于tm11模式的圆形开槽贴片的工作频率；

设a′的初始值为a的值，根据式(1)迭代计算出a′，再经电磁场仿真软件优化，得最终的圆形开槽贴片的半径a′。

进一步，所述的butler馈电网络的n个激励端口，产生等幅且相邻端口间相位差为δφ的电磁波。

δφ＝2πl/n(3)

式中，l为涡旋电磁波的模态。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.本发明采用平面butler矩阵作为馈电网络，不需要多余的传输线以及移相器，解决目前产生携带轨道角动量的涡旋电磁波天线系统馈电复杂，成本高，不易集成的问题，可方便地集成于zigbee、wlan、wifi这些小型化设备中；

2.本发明采用双层介质基板结构，与其他多波束天线系统相比，该天线系统剖面低，易于维护，而且可以分别产生l＝±1两种模式的轨道角动量以及平面电磁波，使用方便，且易于装配和批量生产，大大降低了轨道角动量天线的制作和加工难的问题；

3.本发明不仅仅只适用于某个频段以及某几个模式的涡旋电磁波，而且可方便地在其他频段制作携带多种模式涡旋电磁波的平面butler矩阵轨道角动量天线，即只需要增加相应的butler矩阵的端口，就能够方便地实现模式的拓展。

附图说明

图1是本发明的结构图；

图2是图1的后视图；

图3是图1的俯视图；

图4是仿真本发明产生的远场平面电磁波相位分布图；

图5是仿真本发明在某一观察平面上模式l＝1的相位分布图；

图6是仿真本发明在某一观察平面上模式l＝-1的相位分布图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参照图1、图2和图3，本发明基于butler矩阵的平面轨道角动量天线，包括n条微带线1，n个贴片天线2，上层介质基板3，下层介质基板4，金属地板5、butler馈电网络6和金属铜柱7，n为大于或者等于4的正整数，本实例取n＝4。其中，微带线1、贴片天线2设置在上层介质基板3的上表面，金属地板5设置在上层介质基板3的和下层介质基板4的中间，butler馈电网络6设置在下层介质基板4的下表面。上层介质基板3、下层介质基板4以及金属地板5中对应于butler馈电网络6中n个激励端口的位置处设置有n个表面不敷铜的通孔，每个通孔直径略大于金属铜柱7。金属铜柱7贯穿于上、下层介质基板以及金属地板且不与金属地板5接触。上、下层介质基板的材质均为聚四氟乙烯玻璃纤维增强材料。

贴片天线2采用开槽的圆形贴片天线，4个大小一样的开槽的圆形贴片天线彼此呈中心轴对称分布，每个圆形开槽贴片的实际半径a′计算公式如下：

其中a是计入边缘效应的等效半径，εr是上层介质基板的介电常数，h是上层介质基板的高度，c是光在真空中的速度，f11是处于tm11模式的圆形开槽贴片的工作频率；

设a′的初始值为a的值，根据式<1>迭代计算出a′，再经电磁场仿真软件优化，得最终的圆形开槽贴片的半径a′。

该实例中，每个开槽的圆形贴片天线的半径为a′＝9.8mm左右，上层介质基板的厚度为h1＝0.508mm，下层介质基板的厚度为h2＝0.762mm，微带线的宽度wf＝2.46mm，每个开槽的圆形贴片天线上开的槽角度为θ＝7°，中间的导带的宽度为wg＝1.57mm，距离butler馈电网络的4个激励端口近的2个开槽的圆形贴片天线与激励端口的距离为d＝32.42mm,4个开槽的圆形贴片天线之间的距离为d0＝34.86mm。金属地板的大小与上层介质基板的大小相同。

距离butler馈电网络的4个激励端口远的2个开槽的圆形贴片天线与距离butler馈电网络的4个激励端口近的2个开槽的圆形贴片天线之间的空间相位相差180°，在4条微带线中2条长的微带线上分别设置一个180°的移相器用来抵消相位差，另外2条微带线长度一致。4条微带线的一端与4个开槽的圆形贴片天线分别对应连接，每条微带线的另一端与butler馈电网络的激励端口通过金属铜柱7对应连接。

butler馈电网络由4个90°定向耦合器，2个-90°移相器，4个90°的移相器，2个180°交叉耦合器组成，其拥有4个输入端口和4个激励端口，可产生等幅且相邻端口间相位差为δφ的电磁波：

δφ＝2πl/n<3>

式中，l为涡旋电磁波的模态。本发明中，4个开槽的圆形贴片天线之间的连续激励相位差为±90°，可产生涡旋电磁波的模式为l＝±1。

工作时，外部的同轴线内导体和butler馈电网络的输入端口相连,外导体和金属地板5相连。

本发明的效果可通过以下仿真进一步说明：

仿真1,仿真本发明实施例产生平面电磁波，观察天线远场某平面上的相位分布图，结果如图4。图4表明，本发明实施例能产生平面电磁波。

仿真2,仿真本发明实施例产生涡旋电磁波，观察距离天线250mm处的平面上的相位分布图，结果如图5。图5表明，本发明实施例能产生模式为l＝1的涡旋电磁波。

仿真3,仿真本发明实施例产生涡旋电磁波，观察距离天线250mm处的平面上的相位分布图，结果如图6。图6表明，本发明实施例能产生模式为l＝-1的涡旋电磁波。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的一个实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和理论范围内所做的任何改进，等同替换等，均应该包含在本发明的保护范围之内。