一种基于环形销钉阵列的射频平面螺旋轨道角动量天线的制作方法

本发明属于远距离通信和雷达领域，尤其涉及一种基于环形销钉阵列的射频平面螺旋轨道角动量(psoam)天线。

背景技术：

随着现代通信技术的不断发展，紧缺的频谱资源逐渐成为限制无线通信发展的瓶颈。轨道角动量(oam)这一迄今尚未被有效利用的电磁波基本特性可为电磁波的调制、复用等提供新的物理参数维度，在提高频谱利用率方面具有极大的潜力。然而传统oam中心存在相位奇点，由于波束的发散特性，随着传播距离的增大，中间的暗区将不断变大。而且，不同模态oam波束的发散角不同，多个oam态复用传播就有困难。这些问题极大地限制了射频oam的应用。因此，psoam电磁波被提出，通过将三维锥形oam波束压缩到二维平面，使波束相位奇点在天线位置，可解决远场暗区问题，而且不同模态psoam波束可沿同方向复用传播。psoam的提出为射频oam的实际应用提供了独特的思路。

目前，可产生psoam波束的天线有环形行波天线、定向阵列天线、介质同轴谐振腔天线和wgm模谐振腔天线等。其中环形行波天线具有高模式纯度，馈电简单、设计方便等优势。然而传统环形行波天线由于口径过大，无法满足其主瓣位于水平位置的尺寸条件，需要通过增加喇叭或者通过高介电常数介质等方法使其主瓣处于水平方向。前者天线口径会大幅度增加从而不利于多模叠加，而后者会带来额外的介质损耗。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于环形销钉阵列的psoam天线，目的在于通过加载环形销钉阵列实现天线的小型化，降低介质损耗，在不需要附加喇叭的情况下实现psoam，对psoam模态叠加实现结构化电磁波具有推动作用。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于环形销钉阵列的psoam天线，所述环形销钉阵列的psoam天线包括腔体和金属销钉阵列；所述腔体为金属材质的空心圆柱体，所述腔体两端侧面设置缝隙，宽度wr为1.2mm；所述腔体上表面嵌有金属销钉阵列，所述金属销钉阵列沿周向均匀分布；所述销钉阵列的环数为1～4环，环间距dx为0.5～1.25mm，销钉高度dh满足0mm＜dh≤2.6mm。

进一步地，所述腔体内半径rin和外半径r与波束的模态l和等效波导波长λg满足公式：(rin+r)/2＝l×λg。

进一步地，，所述psoam天线还包括sma插孔，所述腔体下表面设置4个sma插孔，且sma插孔位于sma与天线阻抗匹配条件的圆周上。

进一步地，所述sma插孔分别接入同轴电缆，所述第一sma插孔圆心角为0°、第一sma插孔与第二sma插孔的圆心角为φ、第一sma插孔与第三sma插孔的圆心角为180°、第一sma插孔与第四sma插孔的圆心角为180°+φ；其中φ满足φ＝(2k+1)π/2l，k＝0,1,2…,l-1。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：该环形销钉阵列的psoam天线的腔体尺寸大幅度缩小的同时，由于达到了横向辐射条件，因此也不需要附加喇叭。从这两方面可将天线总口径控制在传统方案的12％以下。而相比于利用高介电常数介质谐振腔的方案，本发明采用空腔设计，减少了大量介质损耗，提高了效率。同时，由于调制环形销钉阵列的参数带来的尺寸可调谐，可在多模态天线叠加时避免馈电端口遮挡问题。

附图说明

图1本发明基于环形销钉阵列的射频psoam天线xoz平面剖面图；

图2是本发明基于环形销钉阵列的射频psoam天线xoy平面剖面图；

图3是本发明基于环形销钉阵列的射频psoam天线在空间辐射的远场方向性随俯仰角θ变化时的方向图(l＝-3)；

图4是本发明基于环形销钉阵列的射频psoam天线在空间辐射的远场增益随俯周向角phi变化时的方向图(l＝-3)；

图5是本发明基于环形销钉阵列的射频psoam天线与传统设计的天线尺寸与组成对比。

具体实施方式

如图1、2所示，该环形销钉阵列的psoam天线包括腔体、金属销钉阵列和sma插孔；该腔体为金属结构的空心圆柱体，本领域技术人员仅需在腔体两端侧面设置缝隙，且缝隙宽度wr为1.2mm；腔体上表面嵌有金属销钉阵列，所述金属销钉阵列沿周向均匀分布；所述销钉阵列的环数为1～4环，环间距dx为0.5～1.25mm，销钉高度满足0mm＜dh≤2.6mm。当环数小于1时即普通环形谐振腔天线，没有缩小尺寸的功能，环数大于4时由于外半径不变，间距将缩小带来馈电端口可选范围缩小，不利于sma与天线的阻抗匹配。环间距过小尺寸调谐性不明显，由于环间距dx与环数的乘积应小于外半径，若最外圈环过于贴近外壁，会降低辐射效率，因此环间距dx不宜过大。销钉高度dh过大时，需要进一步降低外半径，此时会缩小环间距与环数的可变范围。

该腔体内半径rin和外半径r与波束的模态l和等效波导波长λg具有如下关系：(rin+r)/2＝l×λg，这是本领域技术人员的公知常识。且等效波导波长λg由空腔波导波长λe与环形销钉阵列的降频效果有关。当确定工作中心频率f时，对于初始的内外半径rc与rinc，可得到空腔波导波长λe与工作波长λ、初始内外半径满足：

本发明中，通过销钉阵列的环数、环间距dx和销钉高度dh所形成的感性阻抗表面，具有提高等效频率降低等效波导波长的特性，可将空腔波导波长λe降至等效波导波长λg。再由上内半径rin和外半径r与波束的模态l和等效波导波长λg的关系式可的到实际设计内外半径rin、r的确定值，由于λg减小，所以rin、r相比于初始的内外半径rc与rinc减小。

该腔体下表面在sma与天线阻抗匹配条件的圆周上设置4个sma插孔。该sma插孔分别接入同轴电缆，所述第一sma插孔圆心角为0°、第一sma插孔与第二sma插孔的圆心角为φ、第一sma插孔夹与第三sma插孔的圆心角为180°、第一sma插孔与第四sma插孔的圆心角为180°+φ；其中φ满足φ＝(2k+1)π/2l,k＝0,1,2…,l-1。

实施例：

本发明适用于空腔环形行波天线、siw环形行波天线等不同天线模型，也适用于此类模型任意频率任意模态psoam的天线设计。

以空腔环形行波天线，工作在10ghz,模态为l＝-3为例，天线内半径rin＝1.9mm，外半径r＝7.3mm，厚度h＝3.5mm，销钉环数为4，间距dx＝1.25mm，高度dh＝2.6mm。图3、4是所述基于环形销钉阵列的射频psoam天线在远场，辐射主瓣方向为水平方向，即产生的是psoam而不仅是普通的oam辐射。天线在远场，周向相位反向变化了3个周期，不存在明显的突变恶化，即天线能产生模式为3的psoam远场辐射。图5是所述基于环形销钉阵列的射频psoam天线相比传统设计方案的尺寸对比，本发明利用上述环形销钉阵列省去喇叭设计的同时，谐振腔本身尺寸也大幅降低，整体尺寸缩小为传统方案的11.57％。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。