一种宽带OAM模态和极化复合可重构阵列天线

一种宽带oam模态和极化复合可重构阵列天线
技术领域
1.本发明涉及一种宽带oam模态和极化复合可重构阵列天线，属于天线技术领域
技术背景
2.无线通信技术的快速发展对系统需求以及工作模式提出了更高要求，传统的单功能天线不能很好的满足当前的需要，并成为制约系统性能发展的瓶颈。可重构天线的提出和发展给这些问题提供了很好的解决方案。极化可重构天线可以通过频率复用来增加系统的容量，并且能够解决通信中的极化失配的问题，从而提高通信质量。同时，基于oam模态之间的正交性，利用oam多模态进行复用传输，可以提升信道容量，降低系统复杂程度以及提高能量效率。
3.由于现代pcb工艺和金属3d打印技术十分成熟，在不是十分高的频段内，加工精度也十分有保证，同时加工的产品可以拥有低轮廓、小体积、高集成度的特性，有利于天线的大规模生产与应用。因此，使用单层pcb工艺和金属3d打印技术相结合的oam模态和极化复合可重构磁电耦极子阵列天线在宽带、高增益以及降低成本上都有很现实的意义。


技术实现要素：

4.(一)发明目的
5.为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供了一种宽带oam模态和极化复合可重构阵列天线，本阵列天线能够在两种线极化状态之间切换，同时对于每种极化状态，可以产生三种不同的oam模态(-1,0，+1阶)的涡旋电磁波，实现了对oam模态和极化的独立重构，具有稳定的增益、宽带宽、结构简单等优点。
6.(二)技术方案
7.为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种宽带oam模态和极化复合可重构阵列天线，包括介质基片和四个单元天线，所述介质基片的上表面设有金属接地层，四个所述单元天线均设置在金属接地层上组成2
×
2阵列天线，所述金属接地层上刻有十字型耦合缝隙；
8.优选的：所述介质基片的下表面设有微带线层，所述微带线层上还设有直流偏置电路，所述介质基片通过微带线层连接有可重构平衡式馈电机构，所述可重构平衡式馈电机构用于对单元天线进行馈电，并同时控制对单元天线施加不同的激励方向，可以产生不同的极化状态，分别是x-线极化和y-线极化，以及不同的初始相位。
9.优选的：所述微带线层包括两个宽带90
°
可调移相器，两个延时器，一个一分四等幅度等相位功率分配器，四个一分二等幅度等相位功率分配器，十二个直流偏置电路。所述的四个单元天线均设置有可重构平衡式馈电机构，用于对十字型耦合缝隙的激励。其中两个所述一分二等幅度等相位功率分配器的输入端分别与宽带90
°
可调移相器相连接，所述宽带90
°
可调移相器与一分四等幅度等相位功率分配器的输出端相连接。另外两个所述一分二等幅度等相位功率分配器的输入端分别与延时器相连接，所述延时器与一分四等幅度
等相位功率分配器的输出端相连接。
10.优选的：所述一分二等幅度等相位功率分配器的输出分支分别馈电于每个单元天线所对应的馈电端口，使各个单元天线对应馈电端口的激励相位保持一致。
11.优选的：所述单元天线由四个金属磁电耦极子组成，且金属磁电耦极子作为辐射器，四个所述金属磁电耦极子等距设置并与十字型耦合缝隙相对应，所述单元天线设置有的可重构平衡式馈电机构通过微带线对耦合缝隙进行馈电，所述微带线交界处均采用过桥结构。
12.优选的：所述宽带90
°
可调移相器和可重构平衡式馈电机构用于控制各个单元天线对应的正交馈电端口的激励相位，可产生两种不同的极化(x-线极化和y-线极化)和三种不同oam模态的涡旋电磁波。
13.(三)有益效果
14.本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
15.1、该单元天线可以通过可重构平衡式馈电机构产生宽带180度的相位差。
16.2、该单元天线可以产生两种不同的极化特性：x-线极化，y-线极化。同时满足较好的极化特性，较好的驻波特性，且带宽宽、轮廓低、体积小、实现简单，易于集成。
17.3、本发明在使用的时候，利用传统的pcb或ltcc工艺以及3d打印技术来实现制作阵列天线，且整个阵列天线主要由金属磁电耦极子和微带线层组成，通过在微带线层设置一个一分四等幅度等相位功率分配器，四个一分二等幅度等相位功率分配器，两个宽带90
°
可调移相器，两个延时器。每个单元天线设置有四个馈电端口，并分别与一分二等幅度等相位功率分配器的两个输出分支相连。其中两个所述一分二等幅度等相位功率分配器的输入端分别与宽带90
°
可调移相器相连接，宽带90
°
可调移相器与一分四等幅度等相位功率分配器的输出端相连接。另外两个所述一分二等幅度等相位功率分配器的输入端分别与延时器相连接，所述延时器与一分四等幅度等相位功率分配器的输出端相连接，进而实现利用宽带90
°
可调移相器和可重构平衡式馈电机构控制各个单元天线对应端口的激励相位和极化状态，改变阵列天线的工作极化状态和oam模态。
18.4、该阵列天线通过直流偏置电路改变宽带90
°
可调移相器和可重构平衡式馈电机构的状态即可提供两种不同的极化(x-线极化和y-线极化)和三种不同的oam模态，满足较好的极化特性、较好的驻波特性、较宽的工作带宽以及较高的oam纯度。
附图说明
19.图1为一种宽带oam模态和极化可重构阵列天线中介质基片上微带线层的结构示意图；
20.图2为本发明提出的一种宽带oam模态和极化可重构阵列天线的结构图；
21.图3为本发明提出的一种宽带oam模态和极化可重构阵列天线中介质基片上金属接地层的结构示意图；
22.图4为本发明提出的一种宽带oam模态和极化可重构阵列天线的截面图；
23.图5为x-线极化状态下阵列天线在频率3.5ghz时的不同oam模态的测试相位分布图；
24.图6为y-线极化状态下阵列天线在频率3.5ghz时的不同oam模态的测试相位分布
图；
25.图7为x-线极化状态下阵列天线的测试回波损耗s
11
；
26.图8为y-线极化状态下阵列天线的测试回波损耗s
11
；
27.图9为x-线极化状态下阵列天线在频率3.5ghz时增益方向图；
28.图10为y-线极化状态下阵列天线在频率3.5ghz时增益方向图；
29.图中：1、介质基片；2、金属接地层；3、十字型耦合缝隙；4、金属磁电耦极子；5、单元天线；6、一分四等幅度等相位功率分配器；7、直流偏置电路；8、微带线；9、延时器；10、宽带90
°
可调移相器；11、一分二等幅度等相位功率分配器；12、可重构平衡式馈电机构；13、微带线层。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.实施例：
32.参照附图1-4，一种宽带oam模态和极化复合可重构阵列天线，包括介质基片1和四个单元天线5，介质基片1的上表面设有金属接地层2，四个单元天线5均设置在金属接地层2上组成一维线阵，金属接地层2上设有十字型耦合缝隙3，单元天线5由四个金属磁电耦极子4组成，且金属磁电耦极子4作为辐射器，四个金属磁电耦极子4等距设置并与十字型耦合缝隙3相对应，通过微带线8对十字型耦合缝隙3进行激励从而可以对单元天线5馈电，
33.介质基片1的下表面设有微带线层13，微带线层13设置有直流偏置电路7，并连接有可重构平衡式馈电机构12，可重构平衡式馈电机构12对单元天线5进行馈电，并控制对单元天线5产生不同的激励方向，产生不同的极化状态(x-线极化和y-线极化)和初始相位。
34.微带线层13包括两个宽带90
°
可调移相器10，一个一分四等幅度等相位功率分配器6，四个一分二等幅度等相位功率分配器11，两个延时器9，十二个直流偏置电路7，各单元天线通过可重构平衡式馈电机构12与一分二等幅度等相位功率分配器11相连接。其中两个所述一分二等幅度等相位功率分配器11的输入端分别与宽带90
°
可调移相器10相连接，所述宽带90
°
可调移相器10与一分四等幅度等相位功率分配器6的输出端相连接。另外两个所述一分二等幅度等相位功率分配器11的输入端分别与延时器9相连接，所述延时器9与一分四等幅度等相位功率分配器6的输出端相连接。通过直流偏置电路7、宽带90
°
可调移相器10可以产生多种不同的相位组合，最终可形成两种不同的线极化波，即x-线极化，y-线极化。同时，对于每种线极化波，阵列天线可以产生三种不同oam模态的涡旋电磁波。阵列天线具有较好的极化特性、较好的驻波特性、较宽的工作带宽以及较高的oam纯度。
35.基于本发明思想，利用pcb工艺和3d打印技术制作宽带极化可重构阵列天线，并进行相关仿真与测试：图5为x-线极化状态下阵列天线在频率3.5ghz时的不同oam模态的测试相位分布图；图6为y-线极化状态下阵列天线在频率3.5ghz时的不同oam模态的测试相位分布图；图7为x-线极化状态下阵列天线的测试回波损耗；图8为y-线极化状态下阵列天线的测试回波损耗；图9为x-线极化状态下阵列天线在频率3.5ghz时增益方向图；图10为y-线极
化状态下阵列天线在频率3.5ghz时增益方向图。结果表明该阵列天线可以对极化和oam模态进行独立的重构，并满足较好的性能。
36.需要说明的是，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
…”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
37.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。