[發(fā)明專利]基于均勻圓形陣列的多模態(tài)可重構(gòu)軌道角動(dòng)量天線

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811471502.7
• 申請(qǐng)日: 2018-12-04
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109755765B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-01-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 康樂(lè);周金柱;李暉;林先覺(jué);黃進(jìn)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): H01Q23/00
• 分類號(hào): H01Q23/00;H01Q21/00;H01Q5/28;H01Q5/314;H01Q5/50;H01Q1/50;H01Q1/48;H01Q1/38
• 代理公司: 北京世譽(yù)鑫誠(chéng)專利代理有限公司 11368
• 代理人: 劉秀珍

本發(fā)明公開(kāi)的基于均勻圓形陣列的多模態(tài)可重構(gòu)軌道角動(dòng)量天線，涉及無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域，包括饋電網(wǎng)絡(luò)、天線陣列、饋電探針和同軸探針，其中，饋電網(wǎng)絡(luò)包括第一介質(zhì)基板、印制在饋電網(wǎng)絡(luò)上表面的微帶電路和印制饋電網(wǎng)絡(luò)下表面接地金屬板，天線陣列包括多個(gè)設(shè)置在饋電網(wǎng)絡(luò)上方的單元天線，其中，單元天線呈均勻圓形排列，同軸探針與微帶電路的輸入端相連接，饋電探針設(shè)置于天線陣列和饋電網(wǎng)絡(luò)之間，饋電探針的上端貫穿第一介質(zhì)基板并與饋線的輸入端相連接，饋電探針的下端貫穿第二介質(zhì)基板并與微帶電路的輸出端相連接，能夠?qū)崿F(xiàn)多模態(tài)可重構(gòu)特性，同時(shí)解決了現(xiàn)有技術(shù)中由于存在機(jī)械慣性而導(dǎo)致調(diào)節(jié)精度較低、不同模態(tài)間的切換速度較慢的缺陷。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于均勻圓形陣列的多模態(tài)可重構(gòu)軌道角動(dòng)量天線。

背景技術(shù)

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的發(fā)展，以及移動(dòng)終端設(shè)備普及率的上升，使得無(wú)線通信容量快速增長(zhǎng)，通信系統(tǒng)面臨著頻譜資源緊張、傳輸容量不足和通訊信道阻塞等問(wèn)題。為了緩解有限的頻譜資源與不斷擴(kuò)張的無(wú)線通信業(yè)務(wù)之間的矛盾，目前的解決方案包括采用時(shí)分、頻分、空分和極化復(fù)用等技術(shù)來(lái)提高頻譜利用率，這些技術(shù)已得到較為充分的開(kāi)發(fā)和利用，通信鏈路的傳輸能力已接近極限。此外，無(wú)線電頻譜特別是低頻段優(yōu)質(zhì)頻譜的使用日益增多，增加的無(wú)線信號(hào)會(huì)造成頻譜間的互相干擾，導(dǎo)致電磁環(huán)境惡化和通信質(zhì)量下降。為了進(jìn)一步提升無(wú)線通信系統(tǒng)的性能，需要突破傳統(tǒng)的復(fù)用技術(shù)，而利用渦旋電磁波技術(shù)能夠形成具有任意軌道角動(dòng)量(Orbital Angular Momentum，OAM)模態(tài)的電磁渦旋。由于不同模態(tài)間的相互正交性，可以將多路信號(hào)調(diào)制到OAM波束上，實(shí)現(xiàn)同一載頻上的信息復(fù)用傳輸。此外，還能提高對(duì)平面波和其他模態(tài)渦旋波信號(hào)的抗干擾能力，因而具有提高信道容量和通信可靠性的潛力。

自從2007年瑞典物理研究所的B.Thide等人首次將OAM引入到射頻微波頻段后，OAM天線已成為渦旋電磁波技術(shù)中的一個(gè)重要研究方向。相比于具有固定模態(tài)數(shù)的天線，OAM模態(tài)可重構(gòu)天線將軌道角動(dòng)量與可重構(gòu)技術(shù)相結(jié)合，一方面能夠借助單個(gè)天線口徑產(chǎn)生多種本征模態(tài)，通過(guò)模態(tài)切換增加獨(dú)立的收發(fā)信道，實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率的復(fù)用和信道容量的增加，并降低由于模態(tài)失配而產(chǎn)生的信號(hào)衰落；另一方面，通過(guò)重構(gòu)天線輻射電磁波的OAM狀態(tài)，可以消除電磁環(huán)境的影響，提高系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境中的干擾抑制能力，此外，在每個(gè)時(shí)間間隙中通過(guò)不同的OAM模態(tài)值對(duì)波束進(jìn)行編碼傳輸，可以實(shí)現(xiàn)基于OAM的編碼功能。

在目前的研究工作中，主要通過(guò)相位調(diào)制原理和陣列天線技術(shù)，間接或直接地形成渦旋電磁波。其中借助于螺旋相位板、階梯型反射面、透射光柵和電磁超表面等結(jié)構(gòu)對(duì)天線波束進(jìn)行相位調(diào)制，能夠在原有波束基礎(chǔ)上增加螺旋相位因子達(dá)到波前扭曲的效果。然而無(wú)論是反射型或者透射型結(jié)構(gòu)，特定的幾何形狀都僅對(duì)應(yīng)一種相位調(diào)制模式，因此，利用這些結(jié)構(gòu)通常只能產(chǎn)生具有單一模態(tài)的OAM渦旋電磁波。

而對(duì)于N元均勻圓形陣列天線，為了產(chǎn)生OAM渦旋波，應(yīng)使各陣元的激勵(lì)等幅但有連續(xù)的步進(jìn)相位差，相位差和OAM模態(tài)數(shù)l滿足關(guān)系：因此一般需要具有相控特性的饋電網(wǎng)絡(luò)配置不同的相位差。例如，B.Y.Liu等人提出一種具有1和-1兩種可重構(gòu)OAM模態(tài)的偶極子陣列天線，通過(guò)在微帶饋電網(wǎng)絡(luò)中加載可調(diào)的PIN二極管，并利用PIN二極管的導(dǎo)通和截止形成不同的單元饋線長(zhǎng)度，進(jìn)而產(chǎn)生兩種陣元激勵(lì)相位，但是該方法僅對(duì)饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行移相調(diào)控，只能夠產(chǎn)生兩種可重構(gòu)模態(tài)，若模態(tài)數(shù)增多將會(huì)導(dǎo)致饋電結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大。這些結(jié)果在文獻(xiàn)“B.Y.Liu,G.Y.Lin,Y.H.Cui,et al.An Orbital AngularMomentum(OAM)Mode Reconfigurable Antenna for Channel Capacity Improvement andDigital Data Encoding.Scientific Reports,2017,7(1),pp:1-9.”中有過(guò)報(bào)道。

此外，西安電子科技大學(xué)的李龍等人提出利用單元天線繞同軸線旋轉(zhuǎn)形成不同的陣元間相位差，實(shí)現(xiàn)陣列天線的多模態(tài)OAM機(jī)械可重構(gòu)特性，但是該方法由于存在機(jī)械慣性而導(dǎo)致調(diào)節(jié)精度較低、不同模態(tài)間的切換速度較慢。