宽带多模式轨道角动量阵列天线及其设计方法

1.本发明涉及轨道角动量阵列天线设计技术领域，具体涉及一种宽带多模式轨道角动量阵列天线及其设计方法。


背景技术：

2.随着无线通信技术演变至今，电磁波信道容量研究的重要性在不断上升。传统的模拟信号调制分为调幅，调相与调频，信道容量有限。为提高无线传输信息的稳定度与清晰度，急需新的信息加载方式提升信道容量。作为电磁波的特性之一，轨道角动量理论上具有多种两两正交的模式数。因此，通过将信息调制加载在电磁波轨道角动量模式数上，可以极大的提高无线通信中信道容量。
3.在现有的研究报道中，可以通过设计轨道角动量天线阵列辐射轨道角动量电磁波或通过对入射平面波进行调制产生。其中，通过将馈源产生的平面电磁波照射透射型超表面、反射型超表面、以及螺旋相位板等器件后，调制成携带特定模式数的轨道角动量。这些器件具有宽频带的优点，不过，单一器件产生的轨道角动量模式数固定，如果要调制多模轨道角动量，需要额外增加pin管等射频开关。轨道角动量天线阵列主要是圆形天线阵列，通过改变馈入天线单元信号的相位，产生不同模式数的轨道角动量。但是，采用圆形阵列天线产生的轨道角动量模式数与天线单元数目有紧密关系，当模式数增大，阵列规模会急剧增大，并且工作带宽较窄。
4.综上，针对传统轨道角动量阵列天线的带宽窄、模式数少等缺陷是目前亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种宽带多模式轨道角动量阵列天线及其设计方法，以解决现有轨道角动量阵列天线的带宽窄、模式数少等问题，以能够在超宽带的频段内实现多模式轨道角动量的电磁辐射。
6.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
7.本发明提供一种宽带多模式轨道角动量阵列天线，所述宽带多模式轨道角动量阵列天线包括：
8.多个紧耦合阵列天线单元，各所述紧耦合阵列天线单元间依次排列以使得所述宽带多模式轨道角动量阵列天线形成为空心柱状结构，且各所述紧耦合阵列天线单元间距小于0.1波长。
9.可选择地，各所述紧耦合阵列天线单元构造为扇形，以使所述宽带多模式轨道角动量阵列天线形成为空心圆柱状结构。
10.可选择地，各所述紧耦合阵列天线单元自上而下依次设置有第一介质层、偶极子、第二介质层、耦合贴片、馈电巴伦和地板，所述耦合贴片位于所述偶极子臂边下方，所述偶极子关于所述扇形的中心轴线对称设置且所述偶极子的两侧分别设置一寄生单元，所述馈
电巴伦顶部的两端分别贴设于所述耦合贴片上，其底部一端连接输入，另一端连接所述地板，所述地板的底面设置有馈电网络。
11.可选择地，所述第一介质层的顶面还设置有带栅结构超表面，所述带栅结构超表面构造为多个间隔设置的梯形金属贴片。
12.可选择地，各所述紧耦合阵列天线单元的外侧还设置有栅格结构超表面，所述栅格结构超表面的顶部与所述带栅结构超表面连通，底部固定于所述地板的外侧，所述栅格结构超表面构造为阵列设置的矩形金属贴片。
13.可选择地，所述馈电巴伦包括正面、背面和位于所述正面和所述背面之间的介质板，所述介质板构造为长方体板，所述正面设置有长度递减的微带线贴片，所述长度递减的微带线贴片沿所述长方体板的高度方向延伸且位于所述长方体板宽度的中心线上，所述背面设置有三角形地板，所述三角形地板的顶点与所述长度递减的微带线贴片的顶部连通，所述三角形底边的长度与所述馈电巴伦的宽度相等。
14.可选择地，所述介质板的材料为ro4350b。
15.本发明还提供一种基于上述的宽带多模式轨道角动量阵列天线的设计方法，所述设计方法包括：
16.s1：根据应用场景需求，确定轨道角动量模式数和目标调制的电磁波的中心频率；
17.s2：设计紧耦合阵列天线阵列单元；
18.s3：根据所述轨道角动量模式数确定紧耦合阵列天线单元的数量，采用圆阵形式，得到紧耦合阵列天线；
19.s4：根据所述中心频率的波长，设计阵列天线馈电巴伦；
20.s5：根据紧耦合阵列天线单元的数量，设计馈电网络；
21.s6：对所述紧耦合阵列天线、所述阵列天线馈电巴伦和所述馈电网络进行装配，得到轨道角动量阵列天线。
22.可选择地，所述s3包括：
23.s31：根据中心频率，利用等效阻抗特性公式，计算位于天线顶层的带栅结构超表面和位于天线外层的栅格结构超表面；
24.s32：将所述带栅结构超表面和所述栅格结构超表面装配于各所述紧耦合阵列天线单元，得到多个装配后的紧耦合阵列天线单元；
25.s33：根据所述轨道角动量模式数确定紧耦合阵列天线单元的数量；
26.s34：根据所述阵列天线单元的数量，采用圆阵形式，对各所述装配后的紧耦合阵列天线单元进行装配，得到紧耦合阵列天线。
27.可选择地，所述s31中，根据中心频率，利用等效阻抗特性公式，计算位于天线顶层的带栅结构超表面x(f)
top
为：
[0028][0029]
其中，n1、n2分别表示覆盖层和空气的折射率，g表示带栅周期宽度，即金属片和带隙的宽度之和，f为中心频率，c为真空光速，ln()表示对数函数，csc()表示余割函数，π表示圆周率，a为金属片宽度；
[0030]
所述s31中，根据中心频率，利用等效阻抗特性公式，计算位于天线外层的栅格结
构超表面x(f)
side
为：
[0031][0032]
其中，w'0表示代参数且w0表示光的角频率，n1、n2分别表示覆盖层和空气的折射率，ln()表示对数函数，csc()表示余割函数，π表示圆周率，a为金属片宽度，g表示带栅周期宽度，即金属片和带隙的宽度之和，f为中心频率，c为真空光速；
[0033]
根据所述轨道角动量模式数确定紧耦合阵列天线单元的数量包括：
[0034]
φ
n-φ
n-1
＝2πln
[0035]
其中，n表示紧耦合阵列天线单元的数量，π表示圆周率，l表示轨道角动量模式数，φn表示第n个紧耦合阵列天线单元的输入信号相位且表示第n个紧耦合阵列天线单元的输入信号相位且表示基准相位，φ
n-1
表示第n-1个紧耦合阵列天线单元的输入信号相位。
[0036]
本发明具有以下有益效果：
[0037]
1.紧耦合天线阵列以其独特的紧耦合效应可以在超宽带频段下辐射电磁波，因此，本发明将紧耦合阵列天线应用于轨道角动量阵列天线，可以实现宽带多模式轨道角动量阵列天线；
[0038]
2.紧耦合天线阵列可以通过输入不同模式，相位的电信号产生带有不同轨道角动量模式数的电磁波。
附图说明
[0039]
图1为本发明宽带多模式轨道角动量阵列天线的结构示意图；
[0040]
图2为本发明紧耦合阵列天线单元结构示意图；
[0041]
图3为本发明装配后的紧耦合阵列天线单元结构示意图；
[0042]
图4为馈电巴伦的结构示意图；
[0043]
图5为本发明宽带多模式轨道角动量阵列天线的设计方法的流程图；
[0044]
图6为装配后的紧耦合阵列天线单元仿真效果对比图；
[0045]
图7为馈电巴伦的仿真结果示意图。
具体实施方式
[0046]
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0047]
本发明提供一种宽带多模式轨道角动量阵列天线，参考图1所示，所述宽带多模式轨道角动量阵列天线包括：
[0048]
多个紧耦合阵列天线单元，各所述紧耦合阵列天线单元间依次排列以使得所述宽带多模式轨道角动量阵列天线形成为空心柱状结构，且各所述紧耦合阵列天线单元间距小于0.1波长。
[0049]
可选择地，参考图2所示，各所述紧耦合阵列天线单元构造为扇形，以使所述宽带多模式轨道角动量阵列天线形成为空心圆柱状结构。
[0050]
可选择地，参考图2所示，各所述紧耦合阵列天线单元自上而下依次设置有第一介
质层、偶极子、第二介质层、耦合贴片、馈电巴伦和地板，所述耦合贴片位于所述偶极子臂边下方，所述偶极子关于所述扇形的中心轴线对称设置且所述偶极子的两侧分别设置一寄生单元，所述馈电巴伦用于降低阻抗且其顶部的两端分别贴设于所述耦合贴片上，其底部一端连接输入，另一端连接所述地板，所述地板的底面设置有馈电网络。
[0051]
可选择地，参考图3所示，所述第一介质层的顶面还设置有带栅结构超表面，所述带栅结构超表面构造为多个间隔设置的梯形金属贴片。
[0052]
可选择地，各所述紧耦合阵列天线单元的外侧还设置有栅格结构超表面，所述栅格结构超表面的顶部与所述带栅结构超表面连通，底部固定于所述地板的外侧，所述栅格结构超表面构造为阵列设置的矩形金属贴片。
[0053]
可选择地，参考图4所示，所述馈电巴伦包括正面、背面和位于所述正面和所述背面之间的介质板，所述介质板构造为长方体板，所述正面设置有长度递减的微带线贴片，所述长度递减的微带线贴片沿所述长方体板的高度方向延伸且位于所述长方体板宽度的中心线上，所述背面设置有三角形地板，所述三角形地板的顶点与所述长度递减的微带线贴片的顶部连通，所述三角形底边的长度与所述馈电巴伦的宽度相等。
[0054]
为了增加带宽，可选择地，所述介质板的材料为ro4350b。
[0055]
基于上述技术方案，本发明还提供一种宽带多模式轨道角动量阵列天线的设计方法，参考图5所示，所述宽带多模式轨道角动量阵列天线的设计方法包括：
[0056]
s1：根据应用场景需求，确定轨道角动量模式数和目标调制的电磁波的中心频率；
[0057]
作为一种具体实施方式，本发明以一个中心频率为5.6ghz的紧耦合天线阵列进行设计。
[0058]
首先，根据应用场景需求，确定轨道角动量模式数为11个模式，包括0模式、
±
1模式、
±
2模式、
±
3模式、
±
4模式、
±
5模式，目标调制的电磁波的中心频率为5.6ghz。
[0059]
s2：设计紧耦合阵列天线阵列单元；
[0060]
具体包括：根据中心频率设计偶极子天线臂长和臂宽、与地板高度距离、耦合结构、以及加载介质高度，并通过周期边界仿真实现。一般情况下，天线的长度和高度小于工作频率的半波长。
[0061]
阵列单元由偶极子、寄生单元、耦合贴片、地板、介质组成，天线单元环形外径50mm，内径30mm，弯折度数为30度。其中偶极子臂长为10.5mm、臂宽为3.45mm，寄生单元位于偶极子两侧，其长度为10mm、宽度为0.5mm、距离偶极子距离为4.1mm，耦合贴片位于偶极子臂边沿下方，其长度为2.8mm、宽度为3.45mm、与偶极子通过介质板连接，位于偶极子天线下方，其高度为0.762mm，偶极子上方覆盖介质，其介质材料为ro4350b，介电常数为3.66，高度为9.762mm，偶极子与地板高度为15mm。为实现圆阵，通过对天线各项参数的扫描仿真进行优化。最终的单元如图2所示。
[0062]
s3：根据所述轨道角动量模式数确定紧耦合阵列天线单元的数量，采用圆阵形式，得到紧耦合阵列天线；
[0063]
所述s3包括：
[0064]
s31：根据中心频率，利用等效阻抗特性公式，计算位于天线顶层的带栅结构超表面和位于天线外层的栅格结构超表面；
[0065]
所述s31中，根据中心频率，利用等效阻抗特性公式，计算位于天线顶层的带栅结
构超表面x(f)
top
为：
[0066][0067]
其中，n1、n2分别表示覆盖层和空气的折射率，g表示带栅周期宽度，即金属片和带隙的宽度之和，f为中心频率，c为真空光速，ln()表示对数函数，csc()表示余割函数，π表示圆周率，a为金属片宽度。
[0068]
通过将带栅结构超表面的阻抗添加到等效电路分析中计算出合适的宽度，可以有效减小覆盖层的高度，降低整体天线阵列的剖面高度，起到带宽展宽和角度扫描性能优化效果。
[0069]
根据中心频率，利用等效阻抗特性公式，计算位于天线外层的栅格结构超表面x(f)
side
为：
[0070][0071]
其中，w'0表示代参数且w0表示光的角频率，n1、n2分别表示覆盖层和空气的折射率，ln()表示对数函数，csc()表示余割函数，π表示圆周率，a为金属片宽度，g表示带栅周期宽度，即金属片和带隙的宽度之和，f为中心频率，c为真空光速。
[0072]
栅格结构超表面具有电容电感并联接地的空间滤波器的性质，通过在hfss仿真中观察s参数性能，优化金属板大小，对阵列天线起到带宽优化的效果。
[0073]
s32：将所述带栅结构超表面和所述栅格结构超表面装配于各所述紧耦合阵列天线单元，得到多个装配后的紧耦合阵列天线单元；
[0074]
装配后的紧耦合天线单元的结构示意图如图3所示，包括带栅结构超表面和栅格结构超表面。其中带栅结构超表面为梯形金属结构，其带隙宽度为2.4度，栅格结构超表面为矩阵金属贴片，其带隙宽度分别为0.18mm和0.4mm。从图6中可以看出栅格结构超表面提高天线阵列的带宽由95％提高到107％，带栅结构超表面减小了天线在带宽内的回波损耗，两者同时加载在天线单元上有效提高了天线的工作带宽。
[0075]
s33：根据所述轨道角动量模式数确定紧耦合阵列天线单元的数量；
[0076]
可选择地，根据所述轨道角动量模式数确定紧耦合阵列天线单元的数量包括：
[0077]
φ
n-φ
n-1
＝2πln
[0078]
其中，n表示紧耦合阵列天线单元的数量，π表示圆周率，l表示轨道角动量模式数，φn表示第n个紧耦合阵列天线单元的输入信号相位且表示第n个紧耦合阵列天线单元的输入信号相位且表示基准相位，φ
n-1
表示第n-1个紧耦合阵列天线单元的输入信号相位。
[0079]
当相邻天线单元输入信号相位差大于180
°
时将转变为反向的互补相位差，辐射出电磁波不符合目标模式。在本发明所提供的实施例中，阵列辐射轨道角动量目标模式数最高为5，此时整体圆形阵列相位变化1800
°
，在保证相邻单元间相位差小于180
°
的条件下，取相邻单元间相位差150
°
。最终阵列由12个天线单元组成，阵列半径为50mm，高度为23.5mm。
[0080]
s34：根据所述阵列天线单元的数量，采用圆阵形式，对各所述装配后的紧耦合阵列天线单元进行装配，得到紧耦合阵列天线。
[0081]
s4：根据所述中心频率的波长，设计阵列天线馈电巴伦；
[0082]
具体来说，由中心频率波长可设计巴伦的馈电线长度，由目标的阻抗转化性能设计馈电线的宽度，其宽度通过阶梯式变化达到阻抗匹配的效果。
[0083]
本发明馈电巴伦设计采用渐变微带线巴伦设计方案，正面为三段长度递减的微带线贴片，第一段长度为3mm，宽度为0.2mm，第二段长度为8.4mm宽度为0.15mm，第三段长度为7.3mm宽度为0.1mm。巴伦背面地板为弧线渐变设计，巴伦介质厚度0.6mm宽度6mm，高度为15.762mm。其模型图如图4所示，仿真结果如图7所示。
[0084]
s5：根据紧耦合阵列天线单元的数量，设计馈电网络；
[0085]
馈电网络由功分器网络与移相器网络级联实现，其中功分器网络由天线单元数目确定功分比，移相器网络的移项量由轨道角动量的模式数确定。
[0086]
s6：对所述紧耦合阵列天线、所述阵列天线馈电巴伦和所述馈电网络进行装配，得到轨道角动量阵列天线。
[0087]
表1为不同轨道角动量模式数下本发明轨道角动量阵列天线的带宽
[0088]
表1
[0089][0090]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种宽带多模式轨道角动量阵列天线，其特征在于，所述宽带多模式轨道角动量阵列天线包括：多个紧耦合阵列天线单元，各所述紧耦合阵列天线单元间依次排列以使得所述宽带多模式轨道角动量阵列天线形成为空心柱状结构，且各所述紧耦合阵列天线单元间距小于0.1波长。2.根据权利要求1所述的宽带多模式轨道角动量阵列天线，其特征在于，各所述紧耦合阵列天线单元构造为扇形，以使所述宽带多模式轨道角动量阵列天线形成为空心圆柱状结构。3.根据权利要求1所述的宽带多模式轨道角动量阵列天线，其特征在于，各所述紧耦合阵列天线单元自上而下依次设置有第一介质层、偶极子、第二介质层、耦合贴片、馈电巴伦和地板，所述耦合贴片位于所述偶极子臂边下方，所述偶极子关于所述扇形的中心轴线对称设置且所述偶极子的两侧分别设置一寄生单元，所述馈电巴伦顶部的两端分别贴设于所述耦合贴片上，其底部一端连接输入，另一端连接所述地板，所述地板的底面设置有馈电网络。4.根据权利要求3所述的宽带多模式轨道角动量阵列天线，其特征在于，所述第一介质层的顶面还设置有带栅结构超表面，所述带栅结构超表面构造为多个间隔设置的梯形金属贴片。5.根据权利要求4所述的宽带多模式轨道角动量阵列天线，其特征在于，各所述紧耦合阵列天线单元的外侧还设置有栅格结构超表面，所述栅格结构超表面的顶部与所述带栅结构超表面连通，底部固定于所述地板的外侧，所述栅格结构超表面构造为阵列设置的矩形金属贴片。6.根据权利要求1-5中任意一项所述的宽带多模式轨道角动量阵列天线，其特征在于，所述馈电巴伦包括正面、背面和位于所述正面和所述背面之间的介质板，所述介质板构造为长方体板，所述正面设置有长度递减的微带线贴片，所述长度递减的微带线贴片沿所述长方体板的高度方向延伸且位于所述长方体板宽度的中心线上，所述背面设置有三角形地板，所述三角形地板的顶点与所述长度递减的微带线贴片的顶部连通，所述三角形底边的长度与所述馈电巴伦的宽度相等。7.根据权利要求6所述的宽带多模式轨道角动量阵列天线，其特征在于，所述介质板的材料为ro4350b。8.一种基于权利要求1-7中任意一项所述的宽带多模式轨道角动量阵列天线的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括：s1：根据应用场景需求，确定轨道角动量模式数和目标调制的电磁波的中心频率；s2：设计紧耦合阵列天线阵列单元；s3：根据所述轨道角动量模式数确定紧耦合阵列天线单元的数量，采用圆阵形式，得到紧耦合阵列天线；s4：根据所述中心频率的波长，设计阵列天线馈电巴伦；s5：根据紧耦合阵列天线单元的数量，设计馈电网络；s6：对所述紧耦合阵列天线、所述阵列天线馈电巴伦和所述馈电网络进行装配，得到轨道角动量阵列天线。
9.根据权利要求8所述的宽带多模式轨道角动量阵列天线的设计方法，其特征在于，所述s3包括：s31：根据中心频率，利用等效阻抗特性公式，计算位于天线顶层的带栅结构超表面和位于天线外层的栅格结构超表面；s32：将所述带栅结构超表面和所述栅格结构超表面装配于各所述紧耦合阵列天线单元，得到多个装配后的紧耦合阵列天线单元；s33：根据所述轨道角动量模式数确定紧耦合阵列天线单元的数量；s34：根据所述阵列天线单元的数量，采用圆阵形式，对各所述装配后的紧耦合阵列天线单元进行装配，得到紧耦合阵列天线。10.根据权利要求9所述的宽带多模式轨道角动量阵列天线的设计方法，其特征在于，所述s31中，根据中心频率，利用等效阻抗特性公式，计算位于天线顶层的带栅结构超表面x(f)
top
为：其中，n1、n2分别表示覆盖层和空气的折射率，g表示带栅周期宽度，即金属片和带隙的宽度之和，f为中心频率，c为真空光速，ln()表示对数函数，csc()表示余割函数，π表示圆周率，a为金属片宽度；所述s31中，根据中心频率，利用等效阻抗特性公式，计算位于天线外层的栅格结构超表面x(f)
side
为：其中，w'0表示代参数且w0表示光的角频率，n1、n2分别表示覆盖层和空气的折射率，ln()表示对数函数，csc()表示余割函数，π表示圆周率，a为金属片宽度，g表示带栅周期宽度，即金属片和带隙的宽度之和，f为中心频率，c为真空光速；根据所述轨道角动量模式数确定紧耦合阵列天线单元的数量包括：φ
n-φ
n-1
＝2πl/n其中，n表示紧耦合阵列天线单元的数量，π表示圆周率，l表示轨道角动量模式数，φ
n
表示第n个紧耦合阵列天线单元的输入信号相位且示第n个紧耦合阵列天线单元的输入信号相位且表示基准相位，φ
n-1
表示第n-1个紧耦合阵列天线单元的输入信号相位。

技术总结
本发明公开了一种宽带多模式轨道角动量阵列天线及其设计方法，包括：S1：根据应用场景需求，确定轨道角动量模式数和目标调制的电磁波的中心频率；S2：设计紧耦合阵列天线阵列单元；S3：根据所述轨道角动量模式数确定紧耦合阵列天线单元的数量，采用圆阵形式，得到紧耦合阵列天线；S4：根据所述中心频率的波长，设计阵列天线馈电巴伦；S5：根据紧耦合阵列天线单元的数量，设计馈电网络；S6：对所述紧耦合阵列天线、所述阵列天线馈电巴伦和所述馈电网络进行装配，得到轨道角动量阵列天线。本发明能够在超宽带的频段内实现多模式轨道角动量的电磁辐射。磁辐射。磁辐射。


技术研发人员：孙莉 郭梓 周世钢
受保护的技术使用者：西北工业大学太仓长三角研究院
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/8/28