基于平面微带环形结构产生射频oam波束的天线及复用器件的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于0AM无线通信技术领域，具体涉及一种基于平面微带环形结构产 生射频0AM波束的天线。
【背景技术】
[0002] 随着全球进入移动互联网时代，移动通信业务的频谱缺口日益严重，如何采用新 的复用技术提高频谱利用率成为推动信息传输技术发展的主要驱动力之一。轨道角动量 (0AM:OrbitalAngularMomentum)复用是一种新的复用技术，与传统的时分、频分、码分、 空分复用技术比较，具有频谱利用率高和安全性好等优点。
[0003] 轨道角动量复用技术在光频段已经实现，中国专利CN104007567A、CN103941405A、 CN103487956A等对轨道角动量复用技术在光频段的实现方法进行了介绍；然而轨道角动 量复用技术在射频频段实现较为困难，目前，中国专利CN103474776A公开了一种基于环形 行波天线产生射频轨道角动量波束的方法，在理论层面论证了产生射频0AM波束的环形行 波天线的特点；中国专利CN103474777A公开了一种基于金属环形腔的产生射频0AM波束 的环形行波天线，通过在环形金属腔顶面开缝，在金属环形腔侧面相距1/4圆周处开有两 个波端口接金属波导作为双源激励端口，当这两个激励端口中输入同频率，相位相差正负 90°的微波源，金属环形腔中的电磁场成绕圆周顺时针或者逆时针传播的行波分布，又金 属腔顶面的开缝处向空间辐射电磁波，构成一种环形行波天线，然而，上述发明公开的行波 天线结构复杂，难于制作，且不易集成，不利于加快和促进未来的射频0AM波束高速通信发 展。
[0004] 因此，急需研宄开发一种结构简单，易于制作集成的能够产生射频0AM波束螺旋 波束的天线。 【实用新型内容】
[0005] 本实用新型的目的在于提供一种能够产生射频0AM波束的基于平面微带环形结 构的天线，以及基于上述天线结构的射频0AM波束复用器件。
[0006] 本实用新型的目的是这样实现的，包括设置于第一介质基板平面上的圆环形微带 天线，设置于第二介质基板平面上的馈电分配网络，设置于第一介质基板与第二介质基板 之间的接地板，所述圆环形微带天线上沿圆周方向分别设置有波源激励端口pl和波源激 励端口p2,所述馈电分配网络包括相移功分器、以及分别与相移功分器的输出端相连接的 输出微带线ql和输出微带线q2 ;所述输出微带线ql通过同轴探针穿过接地板后与波源激 励端口Pl相连接，所述输出微带线q2通过同轴探针穿过接地板后与波源激励端口p2相连 接。
[0007] 本实用新型还提供了一种射频0AM波束复用器件，所述射频0AM波束复用器件包 括多个工作在不同工作模式的圆环形微带天线，所述多个圆环形微带天线以同心圆环方式 共同设置于介质基板上，所述每个圆环形微带天线上沿圆周方向均设置有两个波源激励端
[0008] 本实用新型针对具有巨大应用潜力的0AM无线通信系统，提出了一种简单可行的 能够产生射频0AM波束的基于平面微带环形结构的天线，并在上述基础上提供了一种射频 0AM波束复用器件。本实用新型对于构建0AM复用无线通信系统，加快0AM复用无线通信的 实用化，具有非常重要的意义。本实用新型利用改进的能够实现90°相移的功分器作为馈 电分配网络，为圆环形微带天线上的两个波源激励端口提供相位差为90°的波源，在圆环 形微带天线中形成行波，辐射到空气中产生射频0AM波束，上述天线结构制作简单，易于集 成；通过在同一介质基板上嵌套设置多个圆环形微带天线即可得到一种射频0AM波束复用 器件，从而实现射频0AM波束的复用。
【附图说明】
[0009] 图1为本实用新型的结构示意图；
[0010] 图2为本实用新型中圆环形微带的结构示意图；
[0011] 图3为本实用新型中功分器的结构示意图；
[0012] 图4为本实用新型中圆环形微带与功分器的连接示意图；
[0013] 图5为本实用新型提供的工作模式1=3的天线在空间辐射的电场相位分布图；
[0014] 图6为本实用新型提供的工作模式1=2的天线在空间辐射的电场相位分布图；
[0015] 图7为本实用新型提供的工作模式1=4的天线在空间辐射的电场相位分布图；
[0016] 图8为本实用新型提供的射频0AM波束复用器件的结构示意图；
[0017] 图中：1_第一介质基板、2-圆环形微带天线、3-第二介质基板、4-相移功分器、 5_接地板。
【具体实施方式】
[0018] 下面结合附图对本实用新型作进一步的说明，但不得以任何方式对本实用新型加 以限制，基于本实用新型教导所作的任何变更或改进，均属于本实用新型的保护范围。
[0019] 如图1-4所示，本实用新型包括设置于第一介质基板1平面上的圆环形微带天线 2,设置于第二介质基板3平面上的馈电分配网络，设置于第一介质基板1与第二介质基板 3之间的接地板5,所述圆环形微带天线2上沿圆周方向分别设置有波源激励端口pi和波 源激励端口P2,所述馈电分配网络包括相移功分器4、以及分别与相移功分器4的输出端相 连接的输出微带线ql和输出微带线q2 ;所述输出微带线ql通过同轴探针穿过接地板5后 与波源激励端口pl相连接，所述输出微带线q2通过同轴探针穿过接地板5后与波源激励 端口P2相连接。
[0020] 所述圆环形微带天线2上沿圆周方向设置的波源激励端口pl和波源激励端口P2 之间的距离为n± 1/4倍的圆环形微带天线2的波导波长，其中n的取值为整数。
[0021] 所述构成馈电分配网络的输出微带线ql的长度与输出微带线q2的长度相差 n± 1/4倍的输出微带线ql的波导波长，其中n的取值为整数。
[0022] 所述相移功分器4为威尔金森功分器。
[0023] 如图6所示，所述射频0AM波束复用器件包括多个工作在不同工作模式的圆环形 微带天线，所述多个圆环形微带天线以同心圆环方式共同设置于介质基板上，所述每个圆 环形微带天线上沿圆周方向均设置有两个波源激励端口。
[0024] 实施例1
[0025] 步骤一：采用宽度《 =2. 56mm的微带线设计工作模式1=3,工作频率f=2. 5GHZ的 圆环形微带天线2,采用Rogers 4350B，介电常数心=2. 65,厚度h=0. 93mm的板材制作第 一介质基板1 ;其中圆环形微带天线2的波导波长为\，圆环形微带天线的周长C为1倍波 导波长4，根据公式(一）计算得到等效介电常数&，
[0026]
(一）
[0027] 根据波长為=c//，算得到波长矣，其中c为光速，f为工作频率；
[0028] 根据公式(二）计算得出圆环形微带天线2的波导波长为鮝，
[0029]
(二）
[0030] 通过上述计算得出，圆环形微带天线2的波导波长~ =81. 2mm，圆环形微带天线2 的周长为1倍波导波长，即C=243. 6mm，设置于圆环形微带天线2上的波源激励端口 pi和波 源激励端口 P2之间相距3/4倍的圆环形微带天线2的波导波长，即波源激励端口 pi和波 源激励端口 P2之间相距60. 9mm，从而实现圆环形微带天线2的设计。
[0031] 步骤二：将工作频率为1~4HGZ的威尔金森功分器的输出端口分别连接输出微带 线ql和输出微带线q2,所述输出微带线ql和输出微带线q2采用宽度《=2. 56mm的微带 线设计工作模式1=3,工作频率f=2. 5GHZ的微带线制作，采用Rogers 4350B，介电常数~ =2. 65,厚度h=0. 93mm的板材制作第二介质基板3 ;所述输出微带线ql的波导波长也为％ ，根据步骤一中的公式(一）和公式(二）计算得出输出微带线ql的波导波长七=81. 2mm， 将输出微带线ql和输出微带线q2之间的长度差调整为3/4倍的输出微带线ql的波导波 长，即输出微带线ql比输出微带线q2延长60. 9_，从而实现威尔金森功分器两输出端输 出90°的相差；然后调节输出微带线q2的输出端负载，使得输出微带线ql与输出微带线 q2这两个输出端具有相同的输出强度，调整两微带线的走向布局，使得两个输出微带线的 相对位置关系与圆环形微带的两个波源激励端口的位置关系一致，从而实现馈电分配网络 的设计。
[0032] 步骤三：将圆环形微带刻蚀在第一介质基板1平面上，将由威尔金森功分器改造 形成的馈电分配网络刻蚀在第二介质基板3平面上，两块介质基板共用一块接地板5,威尔 金森功分器的两个输出微带线分别通过同轴探针与圆环形微带的两个波源激励端口对应 连接，从而实现能够产生射频0AM螺旋波束的天线的设计。
[0033] 步骤四：如图5所示，采用HFSS软件对设计出的天线进行建模和仿真，得到环形行 波天线在空间辐射的电场相位分布图，由图可见电场相位围绕传播方向轴的圆周角的变化 呈现涡旋特性，且电场相位沿圆周一圈变化满足2 31 1=6 31，符合工作模式为3的螺旋波束 特性。
[0034] 实施例2
[0035] 步骤一：采用宽度《 =2. 56mm的微带线设计工作模式1=2,工作频率f=2. 5GHZ的 圆环形微带天线2,采用Rogers 4350B，介电常数心=2. 65,厚度h=0. 93mm的板材制作第一 介