一种编码电可调宽带轨道角动量模式可重构天线的制作方法

本发明涉及天线技术领域，尤其是一种编码电可调宽带轨道角动量模式可重构天线。

背景技术：

随着无线通信技术的快速发展，信息交换的容量日益激增，现有的天线技术对频谱资源利用率受到一定的限制。为满足日益增长的大数据信息交换，迫切需要一种能够提升系统容量和频谱利用效率的天线技术。轨道角动量天线技术因其具有无限正交模式的特点，作为一种复用技术已经逐渐受到通信技术领域新研究的热点技术。目前，主要的模式可重构轨道角动量天线是通过多端口实现的模式可重构，并且大多数都工作在较窄的频率范围。实现程序编码可控制的单端口模式可重构轨道角动量天线是未来研究的关键技术问题之一。

轨道角动量是一种涡旋电磁波，可以携带具有不同模式数的轨道角动量电磁波束，不同的模式之间具有相互正交的特点，这一特点可以再单一工作的频率能够传输多种模式的轨道角动量电磁涡旋波束。因此，轨道角动量天线技术能够有效提高频谱利用效率。

可重构天线技术作为一种能够提高单一天线多功能的工作模式，在频率可重构、极化可重构、方向图可重构等方面已经取得了很多相关技术的积累。多种轨道角动量天线通过模式之间的相互切换，可以更加灵活有效提高系统利用率，解决通信中极化失配的问题，从而提高通信质量。

目前，单层pcb技术已经非常成熟，在微波频段加工的精度也有了保证，同时加工的天线产品具有低剖面、低质量、低体积、高度集成的特点，有利于天线的大规模加工生产，在可重构轨道角动量天线领域具有十分重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够实现轨道角动量多模态之间的高速切换、有效扩展频率工作带宽的编码电可调宽带轨道角动量模式可重构天线。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种编码电可调宽带轨道角动量模式可重构天线，包括四个呈圆阵列排布的天线单元，每个天线单元均包括超表面阵列单元、驱动贴片单元和馈电网络单元；其中，超表面阵列单元焊接在上介质基片上，驱动贴片单元焊接在中介质基片上，接地金属层焊接在下介质基片的上表面，馈电网络单元焊接在下介质基片的下表面，四个馈电网络单元组成馈电网络层；所述上介质基片位于中介质基片的上方，中介质基片位于下介质基片的上方。

所述超表面阵列单元是由4×4方形金属贴片以一定间隙在二维方向周期性排列而成，超表面阵列单元与接地金属层形成谐振腔；所述上介质基片上开设用于固定上介质基片、中介质基片和下介质基片的塑料支撑孔。

所述驱动贴片单元包括驱动贴片以及对称分布在驱动贴片两侧的馈电端口，驱动贴片的中心开设过孔。

所述接地金属单元包括在接地金属层上开设的金属化馈电孔、金属化馈电网络接地孔和金属化驱动单元接地孔。

所述馈电网络单元由0度相移、90度相移、偏置电路和开关端口组成；所述下介质基片上开设接地过孔。

所述下介质基片和中介质基片通过多层板工艺粘合而成；所述的中介质基片和上介质基片之间的距离为d，二者通过塑料支撑孔隔离而成。

所述方形金属贴片的尺寸为8.8mm×8.8mm,所述一定间隙为0.4mm。

所述接地金属层与金属化驱动单元接地孔、金属化馈电网络接地孔导通；所述接地金属层与金属化馈电孔不导通。

由上述技术方案可知，本发明的有益效果为：第一，整个天线主要是金属层和金属化通孔工艺，整个结构加工工艺比较简单且易于集成；第二，该天线具有不同模式数的轨道角动量，并且各个模式之间可以通过可编程单元编码控制；第三，该天线具有宽频带的特性，且具有较高的峰值增益。

附图说明

图1为本发明中的下介质基片和馈电网络层的结构示意图；

图2为本发明中的接地金属层的结构示意图；

图3为本发明中的中介质基片和驱动贴片单元的结构示意图；

图4为本发明中的上介质基片和超表面阵列单元的结构示意图；

图5为本发明具体实施方式中天线在仿真和测试中三种不同模式的反射系数图；

图6为本发明具体实施方式中天线在仿真和测试中三种不同模式的增益图；

图7为本发明具体实施方式中三种不同模式的相位分布图，观察平面距离天线表面为400毫米，观察平面大小为525毫米×525毫米。

具体实施方式

如图1、2、3、4所示，一种编码电可调宽带轨道角动量模式可重构天线，包括四个呈圆阵列排布的天线单元，每个天线单元均包括超表面阵列单元41、驱动贴片33单元和馈电网络单元；其中，超表面阵列单元41焊接在上介质基片43上，驱动贴片33单元焊接在中介质基片31上，接地金属层21焊接在下介质基片11的上表面，馈电网络单元焊接在下介质基片11的下表面，四个馈电网络单元组成馈电网络层16；所述上介质基片43位于中介质基片31的上方，中介质基片31位于下介质基片11的上方。

如图4所示，所述超表面阵列单元41是由4×4方形金属贴片以一定间隙在二维方向周期性排列而成，所述方形金属贴片的尺寸为8.8mm×8.8mm,所述一定间隙为0.4mm，超表面阵列单元41与接地金属层21形成谐振腔，可以激发天线的多种辐射模式，展宽了天线带宽；所述上介质基片43上开设用于固定上介质基片43、中介质基片31和下介质基片11的塑料支撑孔42。所述下介质基片11和中介质基片31通过多层板工艺粘合而成；所述的中介质基片31和上介质基片43之间的距离为d，二者通过塑料支撑孔42隔离而成。

如图3所示，所述驱动贴片33单元包括驱动贴片33以及对称分布在驱动贴片33两侧的馈电端口32，驱动贴片33的中心开设过孔34。

如图2所示，所述接地金属单元包括在接地金属层21上开设的金属化馈电孔22、金属化馈电网络接地孔23和金属化驱动单元接地孔24。所述接地金属层21与金属化驱动单元接地孔24、金属化馈电网络接地孔23导通；所述接地金属层21与金属化馈电孔22不导通。

如图1所示，所述馈电网络单元由0度相移13、90度相移14、偏置电路15和开关端口12组成；所述下介质基片11上开设接地过孔17。

如图5所示，仿真和测试的反射系数保持很好的一致性，在l＝±1模式工作频率范围为4.9ghz-6.5ghz(相对阻抗带宽为28.1％)，l＝0模式的工作频率范围为5.0ghz-6.3ghz(相对阻抗带宽为24.6％)。

如图6所示，仿真和测试的增益保持较好的一致性，峰值增益在l＝+1,l＝-1和l＝0三种不同模式下分别为11.17dbi,11.05dbi和15.19dbi。

如图7所示，三种不同模式的对应的仿真和测试的相位分布结果在三个不同的测试频点5.1ghz,5.7ghz,6.3ghz保持较好的一致性。

所述馈电端口32通过金属化馈电孔22与下介质基片11的开关端口12连接；所述的馈电端口32的导通与否是通过偏置电路15独立控制；所述的偏置电路15是由通过可编程的单片机编码控制；所述开关端口12使天线驱动贴片单元33只有一个馈电端口处于工作状态。所述过孔34与金属化驱动单元接地孔24直接相连。

通过对四个天线单元的0度相移13、90度相移14和两个馈电端口32偏置电路的编程控制，即4×4组偏置电路，可以编码成16位的二进制状态“0”和“1”，其中“0”代表断开，“1”代表导通；所述的16位二进制状态可以实现三种不同轨道角动量模式的涡旋电磁波；当输入序列分别为0011001100110011，1100110011001100和0011110001011010，可以分别获得[0°,90°,180°,270°]，[270°,180°,90°,0°]和[0°,0°,0°,0°]三种相位差，进而可以获得对应的l＝+1,l＝-1和l＝0三种不同模式的轨道角动量电磁波。

实施例一

本发明的四个呈圆阵列排布的天线单元，圆阵列半径r为40.5mm，工作的中心频率为5.7ghz；

所述下介质基片11的整体尺寸为125mm×125mm×0.508mm,材料为rogers5880；所述中介质基片31整体尺寸为125mm×125mm×0.508mm,材料为rogers4350b；所述上介质基片43整体尺寸为125mm×120mm×0.508mm,材料为rogers4350b；

所述驱动贴片33尺寸为：13.2mm×13.2mm；

所述开关端口12包括若干个微波二极管和贴片电容构成，通过偏置电路的控制，实现驱动馈电端口的导通与断开；

所述的0度相移13、90度相移14及两个馈电端口32分别激励，产生180度的相位差，可以使每个天线单元产生0°,90°,180°和270°四种不同的相移状态；

所述的下介质基片11和中介质基片31通过多层板工艺粘合而成；所述的粘合层厚度为0.1mm厚度，材料为rogers4003；

所述的中介质基片31和上介质基片43之间距离为2mm，是通过塑料支撑孔42隔离而成。

综上所述，本发明的整个天线主要是金属层和金属化通孔工艺，整个结构加工工艺比较简单且易于集成；该天线具有不同模式数的轨道角动量，并且各个模式之间可以通过可编程单元编码控制；该天线具有宽频带的特性，且具有较高的峰值增益。