一种产生多模态涡旋波的贴片天线的制作方法

本实用新型涉及天线
技术领域：
，尤其涉及一种产生多模态涡旋波的贴片天线。
背景技术：
：由麦克斯韦理论知，电磁场辐射具有动量。动量分为线性动量和角动量，角动量主要包含与偏振相关的自旋角动量和与空间分布相关的轨道角动量。轨道角动量可以作为一个附加的维度，在不增加频谱资源的情况下，可以复用轨道角动量，增加通信容量，因此应用前景广泛。然而，如何设计涡旋天线，使其能够产生携带有轨道角动量的涡旋波，一直是个亟待解决的问题。近来，ZongtangZhang等使用圆极化微带贴片天线产生了模态数为0、±1、±2的涡旋波，并使其工作在2.45GHz。本实用新型在此基础上，设计了一种能够产生多模态涡旋波的贴片天线，产生模态数为0、±1、±2、±3、±4等九种不同模态的涡旋波，但是最多同时产生五种不同模态的涡旋波并使其工作在2.4GHz。技术实现要素：本实用新型主要解决的技术问题是提供一种产生多模态涡旋波的贴片天线，能够最多同时产生五种不同模态的涡旋波，来实现同一频率下轨道角动量的复用，一定程度上解决频谱资源紧缺的问题，同时进一步采用短路钉加载技术，使天线的尺寸减小。为解决上述技术问题，本实用新型采用的一个技术方案是：提供一种产生多模态涡旋波的贴片天线，包括介质基板、接地板以及圆极化贴片，所述介质基板呈圆形，所述介质基板的上表面连接有五个圆极化贴片，所述介质基板的下表面连接有接地板，每个所述圆极化贴片的中心与所述介质基板的圆心重合，每个所述圆极化贴片上设置有两个馈电端口。在本实用新型一个较佳实施例中，所述圆极化贴片共五片，每个圆极化贴片等间距同心布置，位于介质基板圆心处的圆极化贴片为圆形贴片，其余四片为短路环形贴片。在本实用新型一个较佳实施例中，所述短路环形贴片的同一单侧边缘设置有大量均匀排布的短路钉。在本实用新型一个较佳实施例中，所述同轴电缆包含内导体、外导体以及填充介质，所述内导体与对应位置的圆极化贴片电性连接，所述外导体与所述接地板连接，所述填充介质与所述介质基板连接。在本实用新型一个较佳实施例中，每个所述圆极化贴片上的馈电端口分别被馈送的激励幅度相等、相位相差90°，使分别能够产生模态数为0、±1、±2、±3、±4等九种不同模态的涡旋波，但是最多同时产生五种不同模态的涡旋波。在本实用新型一个较佳实施例中，产生多模态涡旋波的所述圆极化贴片的工作频段为2.4GHz。本实用新型的目的在于通过设计一种多模态涡旋波的贴片天线，能够产生模态数为0、±1、±2、±3、±4等九种不同模态的涡旋波，但是最多同时产生五种不同模态的涡旋波。多模态涡旋波可以实现同一频率下轨道角动量的复用，一定程度上解决频谱资源紧缺的问题。为达到此种目的，本实用新型采用如下的设计方案：一种多模态同心圆极化贴片天线，包括介质基板、接地板、五个圆极化贴片—一个圆形贴片和四个短路环形贴片。所述介质基板为圆形，一面连接五个贴片天线，另一面连接接地板。介质基板、接地板及五个贴片的中心重合。每个贴片上分别有两个馈电端口，每个馈电端口与同轴电缆相连接。特别地，所述介质基板采用ArlonAD410材质。特别地，所述产生多模态涡旋波的贴片天线包括五个贴片天线，分别为圆形贴片和四个短路环形贴片，其中短路环形贴片上的短路钉分别以不同的数量及半径均匀分布在所述四个环形贴片边缘上。所述天线的馈电端口，用于连接同轴电缆，同轴电缆包含内导体、外导体以及填充介质，所述内导体与对应位置的圆极化贴片电性连接，所述外导体与所述接地板连接，所述填充介质与所述介质基板连接。特别地，所述每个贴片天线上的馈电端口分别被馈送幅度相等，相位相差90°的激励，分别能够产生模态数为0、±1、±2、±3、±4等九种不同模态的涡旋波，但是最多同时产生五种不同模态的涡旋波。特别地，所述的产生多模态涡旋波的贴片天线工作在2.4GHz。本实用新型与
背景技术：
相比具有的有益效果是：本实用新型针对无线电波段频谱资源紧缺的问题，提出了一种多模态涡旋波的贴片天线，该实用新型可用于电磁涡旋系统，该系统与现有通信系统技术相集成，大大提高通信系统的容量。与
背景技术：
中应用的多模态同心圆极化贴片天线新增了两个环形短路贴片，在新增的两个贴片上分别恰当地设置好两个空间位置相距157.5°，162°的馈电端口，并同时给予两个馈电端口幅度相同，90°相位差的激励，分别激发了圆极化TM41，TM51模式的波，从而实现了更高阶模态数为3、4的涡旋波的产生。此外，使天线原有的工作频率2.45GHz调整为适用于无线建设及无线宽带路由器等室内场合的2.4GHz。微带天线具有重量轻，体积小，价格较低，大量生产较容易的优点，本实用新型选用微带天线并采用短路钉加载技术，使天线的尺寸进一步减小。本实用新型的有益效果是：本实用新型提供的一种产生多模态涡旋波的贴片天线，能够产生模态数为0、±1、±2、±3、±4等九种不同模态的涡旋波，但是最多同时产生五种不同模态的涡旋波。实现同一频率下轨道角动量的复用，一定程度上解决频谱资源紧缺的问题，同时进一步采用短路钉加载技术，使天线的尺寸减小。附图说明为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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它的附图，其中：图1是本实用新型一种产生多模态涡旋波的贴片天线的一较佳实施例的天线正面图；图2是本实用新型一种产生多模态涡旋波的贴片天线的一较佳实施例的天线剖面图；图3是本实用新型一种产生多模态涡旋波的贴片天线的一较佳实施例的天线底面图；图4是本实用新型一种产生多模态涡旋波的贴片天线的一较佳实施例同时对馈电端口F11、F12施加等幅度90°相位差的激励，所得涡旋波模态数为0的电场相位图；图5是本实用新型一种产生多模态涡旋波的贴片天线的一较佳实施例同时对馈电端口F21、F22施加等幅度90°相位差的激励，所得涡旋波模态数为1的电场相位图；图6是本实用新型一种产生多模态涡旋波的贴片天线的一较佳实施例同时对馈电端口F31、F32施加等幅度90°相位差的激励，所得涡旋波模态为2的电场相位图；图7是本实用新型一种产生多模态涡旋波的贴片天线的一较佳实施例同时对馈电端口F41、F42施加等幅度90°相位差的激励，所得涡旋波模态数为3的电场相位图；图8是本实用新型一种产生多模态涡旋波的贴片天线的一较佳实施例同时对馈电端口F51、F52施加等幅度90°相位差的激励，所得涡旋波模态数为4的电场相位图。具体实施方式下面将对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。如图1-图8所示，本实用新型实施例包括：一种产生多模态涡旋波的贴片天线，包括介质基板1、接地板2以及圆极化贴片3，所述介质基板1呈圆形，所述介质基板1的上表面连接有五个圆极化贴片3，所述介质基板1的下表面连接有接地板2，每个所述圆极化贴片3的中心与所述介质基板1的圆心重合，每个所述圆极化贴片3上设置有两个馈电端口4。其中，所述圆极化贴片3共五片，每个圆极化贴片3等间距同心布置，位于介质基板1圆心处的圆极化贴片3为圆形贴片31，其余四片为短路环形贴片32。进一步的，所述短路环形贴片32的同一单侧边缘设置有大量均匀排布的短路钉5。进一步的，所述同轴电缆包含内导体、外导体以及填充介质，所述内导体与对应位置的圆极化贴片3的馈电端口4电性连接，所述外导体与所述接地板2连接，所述填充介质与所述介质基板1连接。进一步的，每个所述圆极化贴片3上的馈电端口4分别被馈送的激励幅度相等、相位相差90°，使分别能够产生模态数为0、±1、±2、±3、±4等九种不同模态的涡旋波，但是最多同时产生五种不同模态的涡旋波。进一步的，产生多模态涡旋波的所述圆极化贴片3的工作频段为2.4GHz。如图1、2、3所示，本实用新型提出的产生多模态涡旋波的贴片天线，贴片天线中间的介质基板1采用相对介电常数ε＝4.1，损耗角正切为0.003的ArlonAD410材质。介质基板1的一面为贴片天线—由一个圆形贴片31和四个短路环形同心贴片组成。介质基板1的另一面为地。短路钉5是一系列PEC导体圆柱，并通过在介质板上的孔洞连接环形贴片和地面。在环形贴片1的边缘上，短路钉5个数N＝24，短路钉5半径为0.5mm；在环形贴片2的边缘上，短路钉5个数N＝36，短路钉5半径为0.5mm；在环形贴片3的边缘上，短路钉5个数N＝50，短路钉5半径为0.65mm。在环形贴片4的边缘上，短路钉5个数N＝66，短路钉5半径为0.72mm。接地板2半径R为110mm，介质基板1高度h为3.175mm，圆形贴片半径a1为16.78mm，环形贴片1的内径a2为21mm，环形贴片2的内径a3为41mm，环形贴片3的内径a4为61mm，环形贴片4的内径a5为81mm，环形贴片1的外径b2为36.6mm，环形贴片2的外径b3为56.3mm，环形贴片3的外径b4为76.5mm，环形贴片4的外径b5为96.5mm。内部圆形贴片31的馈电端口到圆心的半径p1为4mm，环形贴片1的馈电端口到圆心的半径p2为25.5mm，环形贴片2的馈电端口到圆心的半径p3为46.6mm，环形贴片3的馈电端口到圆心的半径p4为66.6mm，环形贴片4的馈电端口到圆心的半径p5为86.6mm。图1、2、3所示，关于馈电端口F11、F12、F21、F22、F31、F32、F41、F42、F51、F52的设置，其中馈电端口F11和F12间相距90°，馈电端口F21和F22间相距45°，馈电端口F31和F32间相距150°，馈电端口F41和F42相距157.5°，馈电端口F51和F52相距162°。图4-图8分别给出了对馈电端口F11、F21或F21、F22或F31、F32或F41、F42或F51、F52施加等幅度90°相位差的激励，所得涡旋波的模态为0或1或2或3或4时的电场相位分布图。电场的相位波前呈螺旋状，当涡旋波的模态数为0时，波前为平面波；当涡旋波的模态数为1时，相位变化2π；当涡旋波的模态数为2时，相位变化4π；当涡旋波的模态数为3时，相位变化6π；当涡旋波的模态数为4时，相位变化8π。2.下面对本实用新型用到的圆极化TMn1模式可以产生涡旋波模态数为±(n-1)电磁波的可行性说明如下：天线包括五个贴片，一个圆形贴片31和四个短路环形贴片32。这两种贴片的理论分析如下：单一圆极化圆形贴片31天线可以产生模态数为非零的涡旋波。这里直接给出结果，如公式(1)和(2)。对于可以产生TMn1模式的右旋圆极化圆贴片天线，总辐射场的x和y分量可以表示为：Jn是第一类贝塞尔函数。然而对于具有确定的几何参数和电磁参数的贴片天线来说，(1)中第二项的幅值总是明显小于第一项的幅值。若介质基片的介电常数逐步变大，两项之间的数值差距也相应增加。因此，在产生TMnm模式的圆极化贴片3的情况下，只考虑与e-j(n-1)φ成比例的项，它对应于涡旋波的模态数为-(n-1)的电磁场。同心短路环形贴片天线也可以产生模态数为非零的涡旋波。两个同轴电缆馈入具有相等的振幅和正交90°相位差的激励。对于圆极化TMnm模式，两馈电端口物理角度间距为180°/2n或180°-(180°/2n)。总的圆极化TMn1模式辐射场分量Ext和Eyt可表示为：同样的，ej(n-1)φ和ej(n+1)φ的相位形式可以从左旋圆极化辐射场获得。需注意总辐射场的x和y分量由(3)中的两部分Jn-1(k0aεsinθ)和Jn+1(k0aεsinθ)联合组成，分别有e-j(n-1)φ(或ej(n-1)φ)和e-j(n+1)φ(或ej(n+1)φ)的相位形式。很明显这两部分的幅值的不同只在于贝塞尔函数阶数的不同。对于一个具有典型几何和电磁参数的贴片天线来说，Jn+1(k0aεsinθ)的幅值总是明显小于Jn-1(k0aεsinθ)。因此，对于中心圆形贴片或外围短路环形贴片，只考虑Jn-1(k0aεsinθ)与相位形式e-j(n-1)φ(或ej(n-1)φ)的部分，它对应于涡旋波模态数为-(n-1)(或(n-1))的电磁场。3.涡旋波复用的实现：基于多模态涡旋波的贴片天线产生波束的方法，可以得出圆极化TMn1模式的波携带相位因子e-j(n-1)φ的结论。本实用新型提出的天线有五个贴片，一共有十个馈电端口，每个贴片上分别有两个馈电端口。若分别同时给每个贴片上的两个馈电端口幅度相同，90°相位差的激励，则能分别产生模态数为0、±1、±2、±3、±4等九种不同模态的涡旋波。若同时激励十个馈电端口，则能实现同一频率下，五个不同模态数的涡旋波的复用，各个贴片上的缝隙可以使它们互不干扰，因此实现了信息的复用，一定程度上解决了频率段拥挤的问题。贴片天线的参数如下表所示：表1贴片天线的参数参数描述尺寸(mm)R接地板半径110h介质板高度3.175a1圆形贴片半径16.78a2环形贴片1的内径21a3环形贴片2的内径41a4环形贴片3的内径61a5环形贴片4的内径81b1环形贴片1的外径36.6b2环形贴片2的外径56.3b3环形贴片3的外径76.5b4环形贴片4的外径96.5c1馈电端口F11、F12到圆心的距离4c2馈电端口F21、F22到圆心的距离25.5c3馈电端口F31、F32到圆心的距离46.6c4馈电端口F41、F42到圆心的距离66.6c5馈电端口F51、F52到圆心的距离86.6综上所述，本实用新型提供了一种产生多模态涡旋波的贴片天线，能够产生模态数为0、±1、±2、±3、±4等九种不同模态的涡旋波，但是最多同时产生五种不同模态的涡旋波。实现同一频率下轨道角动量的复用，一定程度上解决频谱资源紧缺的问题，同时进一步采用短路钉加载技术，使天线的尺寸减小。以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的
技术领域：
，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。当前第1页1 2 3