能產生極化正交、幅 值相等的二簡并模，但無法產生90°的相位差，如果要使其形成90°相位差可以在規則的 形狀單元上附加一個簡并模分離單元，讓簡并模諧振頻率分離，從而產生圓極化狀態。
[0058] 如圖6所示，當分別切除ΔS后，可使饋電場形成的兩個空間正交簡并模的諧振頻 率發生分離，分離大小取決于AS/S。要產生幅值相等、相位差90°的二簡并模取決于饋電 點位置以及分離單元的尺寸，利用這種貼片天線結構，可以產生穩定的圓極化狀態。
[0059] 三、矩形微帶貼片天線技術方案
[0060] 設計天線的首要步驟是選定中心頻率，本實用新型的矩形微帶貼片天線以f。作為 中心頻率。
[0061] 根據中心頻率可以算出天線長度L，具體如下：
[0062] Le=λg/2
[0063] 其中λ g表示波導中的波長。
[0065]其中λ。表示自由空間波長，ε彥示有效介電常數。
[0067] 其中\表示介質的相對介電常數。
[0068] 當介質基片的厚度和相對介電常數確定時，天線的有效介電常數ε^取決于貼片 的寬度。在天線安裝尺寸的允許條件下貼片的寬度適當大一些對天線的帶寬、效率和匹配 都有利，但是寬度過大也會激勵起高次模，從而引起場的畸變，影響天線的輻射效率。一般 情況下，W由下式來確定：
[0070] 矩形貼片天線的電場在兩條輻射邊之間呈余弦分布，兩條輻射邊在理論上間距應 為λ/2,但實際上由于邊緣場的影響應減去邊緣效應帶來了尺寸增加。所以，矩形微帶天 線的貼片長度L為：
[0072] C表示真空中的光速，f。表示天線的工作頻率，Δ1為邊緣效應帶來的長度延伸， 它與貼片寬度及基片的厚度和有效相對介電常數之間的關系為：
[0075] 由上式可以計算出微帶天線大致的長度L，寬度W。
[0076] 四、尚速射頻開關技術方案
[0077] 以八陣元結構的多模態0ΑΜ渦旋電磁波微帶陣列天線為例，通過圓形陣列的連續 陣元間具有固定的相位差Δρ= 2；r/ /iV來生成0ΑΜ模態，其中1為需要產生的0ΑΜ模態值， N為陣元數。為了實現同一陣列在不同的拓撲荷之間自由切換，可以用一個簡單的射頻開 關取代陣列饋電網絡中的相移分量，以形成一個時間開關陣列（TSA)。為了使得TSA產生 0ΑΜ電磁波，陣列單元需要設定單位振幅和均勻相位差，通過射頻開關切換或激勵圓形相控 陣列中的陣元，陣列中的8個陣元被依次通電，假設第一個陣元的饋電初始相位為Φ= 0， 其他陣元饋電相位依次遞增或遞減，連續相位差Δρ根據2 31ι/N可以得到，饋電相位 差不同，產生的0ΑΜ模態不同。因此，第1~8個陣元的饋電相位分別為Φ，Φ土Δρ，
[0078] 五、陣列天線設計技術方案
[0079] 產生軌道角動量的裝置目前主要有四種，分別是透射螺旋面、透射光柵、反射螺旋 面和陣列天線，本實用新型主要研究通過天線陣列的方法產生攜帶0ΑΜ的電磁波。
[0080] 對于0ΑΜ模態值為1的波束，相位的偏移量可以由句?得出。對于這種相位偏移的 產生，陣列的每一個陣元都需要給予某些特定的相位偏移。為了從一個陣列中獲得電場的 屬性，我們可以使用陣列因子（AF)，它依賴于位移（和陣列的形狀）、相位、電流振幅和陣元 的數目。所得到相同的天線總場為
[0081 ] Etotal =Esingleelenent*AF
[0082] 利用對稱性的屬性，多個圓形網格面積相等扇區被選擇。每個單獨陣元的位置被 給定。每個陣元中心的半徑矢量為
[0084] 陣元之間分開的角度
[0085]
[0086] 其中，m表示被放置的環陣元，η為所選環的位置。Μ是環的總數，N是每個環上陣 元的總數量，如圖8所示。電場表達式由下式給出
[0089]由2JI的整數倍遞增階段中，每個天線陣元被饋送以相同的輸入信號，陣元到陣 元間具有連續的相位延遲2π1/Ν，其中1為陣列天線產生的0ΑΜ模態數，Ν為陣列天線的 陣元個數，需要注意的是，陣列天線陣元的數目決定所能產生的0ΑΜ模態的最大值，即滿 足-Ν/2 < 1 <Ν/2〇
[0090] 與現有技術相比，本實用新型的技術方案采用易于賦型的貼片陣列天線結構代替 偶極子陣列天線，同時也彌補了螺旋拋物面天線只能產生單一 0ΑΜ模態的不足。本實用新 型將高速射頻開關技術、圓極化天線技術和0ΑΜ技術統一運用于陣列天線中，實現了在同 一頻點同時產生多種0ΑΜ模態的禍旋電磁波，適用于當下最流行的Wi-Fi、ZigBee、藍牙等 無線通信。本實用新型可以產生多種模態0ΑΜ渦旋電磁波信號，將多路攜帶0ΑΜ模態且具 有極化特性的電磁波信號在同一頻點上進行復用，并在同一時間進行信息傳輸，形成一種 0ΑΜ空間復用方式，可以在不增加帶寬的情況下實現系統容量的最大化，有效緩解當前日益 增長的帶寬需求同有限頻譜資源之間的突出矛盾。另外，與傳統微波天線相比，貼片天線具 有造價低、材料易得、質量輕、體積小、低剖面、容易賦形和易集成等結構優點，本實用新型 利用微帶貼片天線作為陣元，也繼承了微帶貼片天線的諸多優點。
[0091] 需要說明的是，將本實用新型使用電磁仿真軟件ANSYSHFSS進行仿真，得到陣列 天線的增益、三維輻射圖及方向圖等特性參數，并對仿真結果進行分析討論，由仿真結果可 以看出仿真數據與理論具有較強的一致性，即本實用新型具有良好的性能表現，驗證了本 實用新型在實際通信系統中的可使用性。
[0092] 注意，上述僅為本實用新型的較佳實施例及所運用技術原理。本領域技術人員會 理解，本實用新型不限于這里所述的特定實施例，對本領域技術人員來說能夠進行各種明 顯的變化、重新調整和替代而不會脫離本實用新型的保護范圍。因此，雖然通過以上實施例 對本實用新型進行了較為詳細的說明，但是本實用新型不僅僅限于以上實施例，在不脫離 本實用新型構思的情況下，還可以包括更多其他等效實施例，而本實用新型的范圍由所附 的權利要求范圍決定。
【主權項】
1. 一種多模態OAM渦旋電磁波微帶陣列天線，其特征在于，包括介質基板、若干陣元以 及與各陣元對應的同軸饋線和輸入端口，所述陣元采用圓極化方形切角貼片天線；所述陣 元沿圓周等距排列在所述介質基板的一面，介質基板的另一面附上金屬薄層作為接地面， 所述輸入端口通過同軸饋線連接對應陣元。2. 根據權利要求1所述的多模態0AM渦旋電磁波微帶陣列天線，其特征在于，包括八個 陣元；所述陣元被饋送相同的信號，相鄰兩個陣元間有固定的相位差；所述介質基板半徑 與微帶陣列天線輻射波長相同。3. 根據權利要求2所述的多模態0AM渦旋電磁波微帶陣列天線，其特征在于，所述八個 陣元采用圓極化方形切角貼片天線，所述圓極化方形切角貼片天線中兩個簡并模的長和寬 分別為5_，兩個簡并模輻射出正交極化、幅度相等、相位相差JT /2的電磁波。4. 根據權利要求1至3之一所述的多模態0AM渦旋電磁波微帶陣列天線，其特征在于， 該微帶陣列天線產生的0AM模態數1為：-N/2 < 1 < N/2,陣元到陣元間具有連續的相位延 遲2 Jr 1/N，其中N為陣列天線的陣元個數。5. 根據權利要求4所述的多模態0AM渦旋電磁波微帶陣列天線，其特征在于，該微帶陣 列天線工作在2. 45GHz頻段。
【專利摘要】本實用新型公開一種多模態OAM渦旋電磁波微帶陣列天線，包括介質基板、若干陣元以及與各陣元對應的同軸饋線和輸入端口，所述陣元采用圓極化方形切角貼片天線；所述陣元沿圓周等距排列在所述介質基板的一面，所述介質基板的另一面附上金屬薄層作為接地面，所述輸入端口通過同軸饋線連接對應陣元。本實用新型實現了在同一頻點同時產生多種OAM模態的渦旋電磁波，適用于當下最流行的Wi-Fi、ZigBee、藍牙等無線通信。本實用新型能夠產生性能良好的具有軌道角動量與圓極化雙重特性的渦旋電磁波，渦旋電磁波用于多路復用，可以在單個信道發送多個同軸數據流，從而在不增加帶寬的情況下最大化的提高頻譜利用率和系統容量。
【IPC分類】H01Q1/38, H01Q1/50, H01Q21/20
【公開號】CN204966687
【申請號】CN201520654451
【發明人】孫學宏, 李強, 龐丹旭, 劉麗萍, 張旋
【申請人】寧夏大學
【公開日】2016年1月13日
【申請日】2015年8月27日