一种模式可重构的OAM圆极化天线及无线通信设备

一种模式可重构的oam圆极化天线及无线通信设备
技术领域
1.本实用新型涉及无线通信技术领域，具体涉及一种模式可重构的oam圆极化天线及无线通信设备。


背景技术：

2.随着便携式设备和物联网设备爆发式的增长，人们对高质量和大容量的无线通信技术的需求越来越迫切。然而频谱资源是一种有限的资源，限制了无线通信技术的发展。在有限频带下，如何提高信道容量和频谱利用率一直是通信领域研究的课题。提高信道容量不能仅靠提高带宽来实现，多输入多输出(mimo)技术有效解决了这个问题，mimo技术是指在有限频域资源里通过空间域的扩展，利用空时频处理技术实现信道容量的提高和误码率的降低。mimo技术属于空分复用(sdm)技术，另外还有其它复用技术，如时分复用(otdm)、码分复用(cdma)、正交频分复用(ofdm)等。前面提到的复用技术目前很难使现有的频谱利用率有大幅度的提升。然而，近年来兴起的轨道角动量(oam，orbital angular momentum)由于其理论上具有无穷多的模式，并且由于其不同模式的正交性，使涡旋电磁波能够在同一个轴方向一起传播时减少相互之间的干扰，因此，通过oam理论上可以实现无穷的信道容量。近年来，科研人员将光通信中的oam引入了射频领域，并认为oam的引入不会对无线电通信领域带来任何概念上的新变化。传统的mimo通信已经很好地覆盖了该技术。这说明oam能够有效提高无线通信系统的信道容量和频谱利用率。
3.在射频领域，轨道角动量天线的结构主要有四种：(1)螺旋相位板(2)螺旋相位反射天线(3)环形天线阵列(4)超表面技术。环形天线阵列根据不同的单元个数n以及连续单元的相位分布来确定oam模式，可通过设计合适的馈电网络实现oam天线模式的可重构，大大提高了oam天线模式复用能力。对于模式可重构的oam天线，仍存在着一些问题，环形单元少，馈电网络设计简单，但相应的天线增益下降；环形阵列单元多，虽然可以提高天线增益，但会提高馈电网络设计的复杂度。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术存在的缺点与不足，本实用新型提供一种模式可重构的oam圆极化天线及无线通信设备。
5.本实用新型基于极化转换超表面和可重构的馈电网络实现了具有模式可重构的oam圆极化天线阵列，该天线阵列馈电网络设计简单，同时具有宽带宽和高增益的特点。
6.本实用新型采用如下技术方案：
7.一种模式可重构的oam圆极化天线，包括叠放设置的两层介质基板、可重构的馈电网络及同轴馈线，可重构的馈电网络包括微带电路及金属反射地，两层介质基板包括上层介质基板及下层介质基板，所述上层介质基板的上表面设置圆极化天线阵列，其下表面设置金属反射地，所述下层介质基板的下表面设置微带电路，同轴馈线分别与微带电路的输入端及金属反射地连接。
8.进一步，所述圆极化天线阵列包括n*m个呈阵列设置的圆极化天线单元，所述圆极化天线单元包括极化转换超表面结构及馈电结构，所述馈电结构为缝隙耦合馈电，包括微带馈线及矩形缝隙，所述微带馈线设置在下层介质基板的下表面，所述微带馈线与微带电路连接，矩形缝隙设置在金属反射板上。
9.进一步，所述极化转换超表面结构包括a
×
a个方形贴片，每个方形贴片设置两个金属化通孔与金属反射地连接。
10.进一步，所述微带馈线包括两条相互连接的微带线。
11.进一步，所述微带电路关于输入馈线中线轴对称，包括一个t形功分器、两个y形微带线、两个3db方形分支电桥和偏置电路微带线，所述t形功分器的输入端与输入馈线连接，其两个输出端分别通过y形微带线与3db方形分支电桥的两个输入端连接，3db方形分支电桥的两个输出端分别与微带馈线连接，y形微带线的输入端及3db分支电桥的输入端均通过射频扼流圈与偏置电路微带线连接，分别与两个y形微带线的输入端连接的偏置电路微带线通过导线与控制电压连接，分别与两个3db分支电桥的输入端连接的偏置电路微带线接地。
12.进一步，所述y形微带线输入端与t形功分器输出端跨接电容，所述y形微带线输出端与3db方形分支电桥的输入端通过两个射频开关跨接相连。
13.进一步，所述t形功分器为等幅同相功分器。
14.进一步，所述3db方形分支电桥相当于一个等幅差相功分器，两个输出端可提供固定相位差为90
°
。
15.进一步，所述矩形缝隙与微带馈线垂直，且位于极化转换超表面结构的中轴线。
16.一种无线通信设备，包括所述的oam圆极化天线。
17.本实用新型的有益效果：
18.(1)本实用新型利用可重构的馈电网络，在同一个天线口径下可以产生+1和
‑
1两种不同模式数的轨道角动量，实现oam模式可重构特性。
19.(2)本实用新型的可重构馈电网络通过对称设计和3db方形分支电桥，简化了馈电网络的设计，结构简单。
20.(3)本实用新型基于极化转换超表面，实现高增益的圆极化天线。通过将圆极化天线单元环形排布，利用偏置电路控制开关状态产生不同的馈电相位分布，产生不同模式的圆极化涡旋波，并具有高增益。
21.(4)本实用新型中的天线阵列和馈电网络采用印刷电路板技术，易于加工和制作。阵列中的单元天线采用缝隙耦合馈电形式，结构简单，与传统微带线直接馈电的贴片天线相比，工作频带较宽。
附图说明
22.图1为本实用新型实施例1的立体结构图；
23.图2为本实用新型实施例1的三维爆炸图；
24.图3为本实用新型实施例1的结构示意图；
25.图4为本实用新型实施例1在不同模式l＝+1、
‑
1时的回波损耗特性的示意图；
26.图5为本实用新型实施例1在模式l＝+1时的电场相位分布图；
27.图6为本实用新型实施例1在模式l＝
‑
1时的电场相位分布图；
28.图7(a)及图7(b)为本实用新型实施例1在模式l＝+1时的远场方向图；
29.图8(a)及图8(b)为本实用新型实施例1在模式l＝
‑
1时的远场方向图；
30.图9为本实用新型实施例1在模式l＝+1时的轴比曲线；
31.图10为本实用新型实施例1在模式l＝
‑
1时的轴比曲线。
具体实施方式
32.下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。
33.实施例1
34.如图1
‑
图2所示，一种模式可重构的oam圆极化天线，包括上下紧密贴合叠放设置的两层介质基板、可重构的馈电网络及同轴馈线5。
35.所述两层介质基板按照位置可分为上层介质基板2及下层介质基板1，所述上层介质基板的材料为fr4，厚度为3mm，长和宽为98mm；下层介质基板的材料为fr4，厚度为0.5mm，长和宽为98mm。
36.所述可重构的馈电网络用于产生具有特定相位差的射频信号并将所述射频信号输入所述圆极化天线阵列，包括微带电路4及金属反射地3，所述上层介质基板的上表面设置圆极化天线阵列6，其下表面设置金属反射地，所述下层介质基板的下表面设置微带电路，所述同轴馈线的内导体与微带电路输入端相连，且外导体与金属反射地板3相连接；本实施例中圆极化天线阵列包括2
×
2个圆极化天线单元，在上层介质基板2的上表面印制有所述的4个圆极化天线单元6，四个圆极化天线单元的结构相同，该4个圆极化天线单元6
‑
1、6
‑
2、6
‑
3、6
‑
4构成圆极化天线阵列。
37.所述圆极化天线单元用于辐射圆极化涡旋电磁波，包括极化转换超表面结构及馈电结构，所述极化转换超表面结构包括八个方形贴片7，按照4
×
4阵列形式排列，其长宽均为98mm。每个方形贴片上设置两个金属化通孔与金属反射地3连接，以此实现极化转换，产生圆极化波；所述方形贴片的宽度为8mm，且相邻方形贴片之间的间隔为2mm，所述方形贴片上的2个金属化通孔位于方形贴片的对角线上，且2个金属通孔与所述方形贴片中心的水平距离分别为2.1mm和2.5mm；所述金属化通孔的直径为0.3mm。
38.所述馈电结构为缝隙耦合馈电，包括微带馈线及矩形缝隙9，所述微带馈线设置在下层介质基板的下表面，所述微带馈线与微带电路连接，所述矩形缝隙在金属反射地3上蚀刻而成，位于圆极化天线单元中线上，且长度为0.5λ0，λ0为自由空间波长，宽度为2mm，四个圆极化天线单元就有四条矩形缝隙，每条矩形缝隙位于每个圆极化天线单元的中线对应位置，四个圆极化天线单元间隔一定距离。
39.如图3所示，所述微带馈线位于下层介质基板的下表面，每一个圆极化天线单元都有一个微带馈线，所述微带馈线包括第一微带馈线、第二微带馈线、第三微带馈线和第四微带馈线，其分别激励不同的圆极化天线单元。每条微带馈线包括两条相互连接的微带馈线。所述第一微带馈线由第一微带线4
‑
6和第二微带线4
‑
10组成；所述第二微带馈线由第三微带线4
‑
7和第四微带线4
‑
11组成；所述第三微带馈线由第五微带线4
‑
8和第六微带线4
‑
12组成；所述第四微带馈线由第七微带线4
‑
9和第八微带线4
‑
13组成；所述第一微带线、第三微
带线、第五微带线及第七微带线的特性阻抗为50ω，宽度为0.98mm；所述第二微带线、第四微带线、第六微带线及第八微带线的宽度为2.8mm，长度7mm，用于阻抗匹配。
40.所述微带电路4、下层介质基板1和金属反射地3构成可重构馈电网络。
41.如图3所示，所述微带电路4包括微带电路输入馈线4
‑
0、t形功分器4
‑
1、第一3db方形分支电桥4
‑
2、第二方形分支电桥4
‑
3、第一y形微带线4
‑
4、第二y形微带线4
‑
5和偏置电路微带线4
‑
14、4
‑
15、4
‑
16和4
‑
17；所述微带电路4安装有第一隔直电容c1、第二隔直电容c2、第一射频开关d1、第二射频开关d2、第三射频开关d3、第四射频开关d4、第一射频扼流圈l1、第二射频扼流圈l2、第三射频扼流圈l3和第四射频扼流圈l4；第一隔直电容c1和第二隔直电容c2位于所述t形功分器4
‑
1的两个输出端，分别与第一y形微带线4
‑
4和第二y形微带线4
‑
4相连接，第一射频开关d1和第二射频开关d2安装于第一y形微带线4
‑
4的输出端和第一3db方形分支电桥4
‑
2的输入端之间，第三射频开关d3和第四射频开关d4安装于第二y形微带线4
‑
5的输出端和第二3db方形分支电桥4
‑
3的输入端之间，第一射频扼流圈l1将偏置电路微带线4
‑
16与第一y形微带线4
‑
4的输入端相连接，第二射频扼流圈l2将偏置电路微带线4
‑
14与第一3db方形分支电桥4
‑
2相连接，第三射频扼流圈l3将偏置电路微带线4
‑
17与第二y形微带线4
‑
5的输入端相连接，和第四射频扼流圈l4将偏置电路微带线4
‑
15与第二3db方形分支电桥4
‑
3相连接；其中，偏置电路微带线4
‑
14和偏置电路微带线4
‑
15使用导线相连接，并连接控制电压；偏置电路微带线4
‑
16和偏置电路微带线4
‑
17使用导线接地。
42.第一3db方形分支电桥的两个输出端分别与第一微带馈线及第二微带馈线连接，第二3db方形分支电桥的两个输出端分别与第三微带馈线及第四微带馈线连接。
43.所述微带电路输入馈线4
‑
0的特性阻抗为50ω，宽度为0.98mm。
44.所述射频开关为射频pin二极管开关，射频开关的通断由偏置电路控制。
45.3db方形分支电桥相当于一个等幅差相功分器，两个输出端可提供固定相位差为90
°
。
46.所述的微带电路结构沿输入馈线中线轴对称。
47.参见图3，通过对偏置电路微带线4
‑
14和偏置电路微带线4
‑
15同时输入不同极性的控制电压，改变微带电路4上射频开关的通断，4个圆极化天线单元6从而产生不同的相位分布，可以使该天线阵列实现产生2种不同模式的oam电磁涡旋的可重构特性。
48.模式一：当偏置电路微带线4
‑
14和偏置电路微带线4
‑
15同时输入正极控制电压时，第一射频开关d1和第三射频开关d3导通，第二射频开关d2和第四射频开关d4截止，此时圆极化天线单元6
‑
2、6
‑
3、6
‑
4相对于圆极化天线单元6
‑
1的相位差分别为90
°
、180
°
、270
°
，圆极化天线单元间的步进相位差为90
°
，该天线阵列产生模式为l＝+1的oam电磁涡旋波。
49.模式二：当偏置电路微带线4
‑
14和偏置电路微带线4
‑
15同时输入负极极控制电压时，第一射频开关d1和第三射频开关d3截止，第二射频开关d2和第四射频开关d4导通，此时圆极化天线单元6
‑
2、6
‑
3、6
‑
4相对于圆极化天线单元6
‑
1的相位差分别为270
°
、180
°
、90
°
，圆极化天线单元间的步进相位差为
‑
90
°
，该天线阵列产生模式为l＝
‑
1的oam电磁涡旋波。
50.以下结合仿真实验，对本实用新型的技术效果作进一步说明：
51.参见图4，天线阵列在两种工作模式下的阻抗带宽为38％，频率范围是5.3
‑
7.8ghz；
52.参见图5，电场相位分布呈现出涡旋特性，且沿圆周一圈的相位变化量为2π，旋转
方向为顺时针，表明本实用新型产生了模式数l＝+1的oam涡旋波。
53.参见图6，电场相位分布呈现出涡旋特性，且沿圆周一圈的相位变化量为2π，旋转方向为逆时针，表明本实用新型产生了模式数l＝
‑
1的oam涡旋波。
54.参见图7(a)及图7(b)和图8(a)及图8(b)，天线的远场方向图轴向出现极点，符合oam涡旋波的特性，圆极化天线阵列的主极化是右旋圆极化(rhcp)，交叉极化比大约在20db，x
‑
z平面与y
‑
z平面的方向图基本一致，具有很好的性能。
55.参见图9和图10，圆极化天线阵列在工作中心频点处的轴比曲线可以看出，当天线阵列模式l＝+1时，天线阵列3db轴比波束宽度约为65
°
到70
°
；当天线阵列模式l＝
‑
1时，天线阵列3db轴比波束宽度约为65
°
到75
°
。
56.本实用新型能够实现两种oam模式可重构的特性，同时克服现有技术馈电结构复杂、不同模式切换速度慢的缺陷，同时实现辐射圆极化波且具有宽带宽和高增益的特点。
57.实施例2
58.一种无线通信设备，包括一种模式可重构的oam圆极化天线，包括上下紧密贴合叠放设置的两层介质基板、可重构的馈电网络及同轴馈线。
59.上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。