一種產(chǎn)生渦旋電波的介質(zhì)諧振器天線陣列的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種產(chǎn)生渦旋電波的介質(zhì)諧振器 天線陣列。
【背景技術(shù)】
[0002] 電磁波可以攜帶線動(dòng)量和角動(dòng)量，角動(dòng)量有兩種：（1)自旋角動(dòng)量（SAM)，⑵軌 道角動(dòng)量（OAM)。其中，自旋角動(dòng)量有兩種模式：左旋圓極化和右旋圓極化，這兩種模式 都已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)中來提高通信容量。而軌道角動(dòng)量是一種相對(duì)較新的概 念，于 1992 年被 Alien 等人發(fā)現(xiàn)，見 Allen, L.，et al.，"Orbital angular momentum of light and the transformation of Laguerre-Gaussian laser modes. '，Phys Rev A，1992. 45(11) :p. 8185-8189。通過對(duì)軌道角動(dòng)量（OAM)的研究，發(fā)現(xiàn)軌道角動(dòng)量（OAM) 可以用來提高通信容量。Thid6等人首次實(shí)現(xiàn)了電磁領(lǐng)域的OAM波束，見Thid6，B.，et al.，"Utilization of photon orbital angular momentum in the low-frequency radio domain，"Physical Review Letters，2007.vol.99(8):pp. 087701-1 - 087701-4。這篇文 章為0AM波束應(yīng)用于電磁領(lǐng)域提供了可能性。理論上，0AM可以提供無限帶寬。Fabrizio 等實(shí)驗(yàn)展示了如何用這種OAM波束編碼并傳輸信息，見Tamburini, F.，et al.，"Encoding many channels on the same frequency through radio vorticity:first experimental test. "New Journal of Physics，2012. 14(3) :p. 033001。
[0003] 如今，0AM波束的傳輸主要是使用圓形天線陣列或者螺旋相位面天線實(shí)現(xiàn)。然而， 現(xiàn)有的圓形天線陣列或者螺旋相位面天線存在以下技術(shù)問題：1、圓形陣列天線陣列的天線 單元損耗高。2、螺旋相位面天線不易制作，不易維持板面的平滑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種產(chǎn)生渦旋電波的介質(zhì)諧 振器天線陣列，其目的在于，通過介質(zhì)材料構(gòu)成圓形陣列解決現(xiàn)有方法中存在的上述損耗 高，不易制作的技術(shù)問題。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種產(chǎn)生渦旋電波的介質(zhì)諧振 器天線陣列，包括多條微帶線、同軸饋電端口、多個(gè)矩形槽、N個(gè)介質(zhì)諧振器天線、介質(zhì)基板 和接地面，N為大于或等于4的正整數(shù)，矩形槽、介質(zhì)諧振器天線以及接地面均設(shè)置在介質(zhì) 基板的一面，介質(zhì)諧振器天線沿周向均勻分布在介質(zhì)基板上，矩形槽設(shè)置在介質(zhì)諧振器天 線和接地面連接處，其數(shù)量等于N，介質(zhì)諧振器天線設(shè)置于接地面上，微帶線沿周向均勻分 布在介質(zhì)基板的另一面，其數(shù)量等于N，微帶線的一端由同軸線通過同軸饋電端口饋電，另 一端與矩形槽耦合，用于為介質(zhì)諧振器天線饋電。
[0006] 優(yōu)選地，介質(zhì)諧振器天線為圓柱介質(zhì)諧振器天線，其由陶瓷填料的聚四氟乙烯復(fù) 合材料構(gòu)成。
[0007] 優(yōu)選地，圓柱介質(zhì)諧振器天線的大小和其諧振頻率成正比。
[0008] 優(yōu)選地，在HE115傳輸模式下，圓柱介質(zhì)諧振器天線的半徑和高度由公式
計(jì)算，其中h是圓柱介質(zhì)諧振器天線的高 度，r是圓柱介質(zhì)諧振器天線的半徑，f。是天線的諧振頻率，ε d是圓柱介質(zhì)諧振器天線的介 電常數(shù)。
[0009] 優(yōu)選地，介質(zhì)基板是由添加了玻璃纖維的聚四氟乙烯復(fù)合材料構(gòu)成。
[0010] 總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有 益效果：
[0011] 1、能夠解決現(xiàn)有方法中存在的高損耗的問題：由于本發(fā)明采用了全介質(zhì)結(jié)構(gòu)，因 此同以往的圓形天線陣列相比，損耗大大降低。
[0012] 2、能夠解決現(xiàn)有方法中存在的不易制作、維持天線形狀的問題：由于本發(fā)明采用 了介質(zhì)諧振器天線作為陣列單元，容易制作，而且一旦制成，不用考慮維持天線形狀的問 題。
【附圖說明】
[0013] 圖I (A)是本發(fā)明采用圓柱介質(zhì)諧振器天線產(chǎn)生渦旋電波的介質(zhì)諧振器天線陣列 的俯視圖；
[0014] 圖I (B)是圖1㈧中介質(zhì)諧振器天線陣列的仰視圖；
[0015] 圖I (C)是圖1㈧中介質(zhì)諧振器天線的側(cè)視圖；
[0016] 圖2(A)是本發(fā)明垂直于天線傳播方向上的某一平面模式1 = 0(即激勵(lì)的相移為 〇° )的電場圖；
[0017] 圖2(B)是本發(fā)明垂直于天線傳播方向上的某一平面模式1 = 1(即激勵(lì)的相移為 45° )的電場圖；
[0018] 圖2(C)是本發(fā)明垂直于天線傳播方向上的某一平面模式1 = 2(即激勵(lì)的相移為 90° )的電場圖；
[0019] 圖2(D)是本發(fā)明垂直于天線傳播方向上的某一平面模式1 = 3(即激勵(lì)的相移為 135° )的電場圖；
[0020] 圖3(A)是本發(fā)明方形介質(zhì)諧振器天線產(chǎn)生渦旋電波的介質(zhì)諧振器天線陣列的俯 視圖；
[0021] 圖3(B)是圖3(A)中介質(zhì)諧振器天線陣列的仰視圖；
[0022] 圖3 (C)是圖3 (A)中介質(zhì)諧振器天線的側(cè)視圖；
[0023] 圖4(A)是實(shí)施例2垂直于天線傳播方向上的某一平面模式1 = 0(即激勵(lì)的相移 為〇° )的電場圖；
[0024] 圖4(B)是實(shí)施例2垂直于天線傳播方向上的某一平面模式I = 1 (即激勵(lì)的相移 為45 ° )的電場圖；
[0025] 圖4(C)是實(shí)施例2垂直于天線傳播方向上的某一平面模式1 = 2(即激勵(lì)的相移 為90° )的電場圖；
[0026] 圖4(D)是實(shí)施例2垂直于天線傳播方向上的某一平面模式1 = 3(即激勵(lì)的相移 為135° )的電場圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要 彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0028] 如圖1㈧、（B)、（C)所示，本發(fā)明產(chǎn)生渦旋電波的介質(zhì)諧振器天線陣列包括多條 微帶線101，同軸饋電端口 102,多個(gè)矩形槽103,多個(gè)介質(zhì)諧振器天線104 (其數(shù)量為N，N 為大于或等于4的正整數(shù)）、介質(zhì)基板105和接地面106。矩形槽103、介質(zhì)諧振器天線104 以及接地面106均設(shè)置在介質(zhì)基板105的一面，介質(zhì)諧振器天線104沿周向均勻分布在介 質(zhì)基板105上，且矩形槽103設(shè)置在介質(zhì)諧振器天線104和接地面106連接處，其數(shù)量也等 于N，介質(zhì)諧振器天線104設(shè)置于接地面106上。
[0029] 微帶線101沿周向均勻分布在介質(zhì)基板105的另一面，其數(shù)量等于N ;微帶線101 的一端由同軸線通過同軸饋電端口 102饋電，另一端與矩形槽103耦合，用于為介質(zhì)諧振器 天線104饋電。
[0030] 在本實(shí)施方式中，介質(zhì)諧振器天線104為圓柱介質(zhì)諧振器天線（Cylindrical dielectric resonator antenna，簡稱⑶RA)，其由陶瓷填料的聚四氣乙稀 (Polytetrafluoroethylene，PTFE)復(fù)合材料構(gòu)成。圓柱介質(zhì)諧振器天線的大小和天 線的諧振頻率有關(guān)，在HE115傳輸模式下，該圓柱介質(zhì)諧振器天線的半徑和高度由公式
丨計(jì)算，其中h是圓柱介質(zhì)諧振器天線的高 度，r是圓柱介質(zhì)諧振器天線的半徑，f。是天線的諧振頻率，ε d是圓柱介質(zhì)諧振器天線的介 電常數(shù)。
[0031] 介質(zhì)基板105是由添加了玻璃纖維的聚四氟乙烯復(fù)合材料構(gòu)成。
[0032] 工作時(shí)，同軸線的內(nèi)導(dǎo)體和微帶線相連接，同軸線的外導(dǎo)體和接地面相連，圓形介 質(zhì)諧振器天線的半徑為其工作波長的1/2倍。本實(shí)施例中，上述的所有模塊的數(shù)據(jù)如下：圓 柱介質(zhì)諧振器天線的高度h = 9. 82mm，半徑r = 5. 96mm ;介質(zhì)諧振器天線的介電常數(shù)ε DRA=10. 2 ;微帶線的長度I = 30mm，寬度w = 3mm ;縫隙的長度Is= 8mm，寬度ws= 0· 8mm ;介 質(zhì)基板的介電常數(shù)ε sub= 2. 33,高度h sub= 1mm，半徑r sub= 40mm ;天線陣列的半徑r a"ay=26mm ;饋電端口距陣列圓心的距離rp= 13mm。
[0033] 圖2(A)、（B)、（C)、⑶為本發(fā)明的介質(zhì)諧振器天線陣列在垂直于天線 傳播的方向生成的四個(gè)模式的電場。本發(fā)明中，N個(gè)天線的激勵(lì)連續(xù)相位差若為 0° ,45° ,90° ,135°，則可以產(chǎn)生 OAM 模式 1 = 0, 1,2, 3。
[0034] 如圖3(A)、（B)、（C)所示，在該實(shí)施方式中，介質(zhì)諧振器天線104為方形柱介質(zhì)諧 振器天線。
[0035] 圖4(A)、（B)、（C)、（D)為本實(shí)施例的垂直于天線傳播方向上的某一平面的四個(gè)模 式的電場。本發(fā)明中，N個(gè)天線的激勵(lì)連續(xù)相位差若為0°，45°，90°，135°，則可以產(chǎn) 生 OAM 模式 1 = 0, 1,2, 3。
[0036] 本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以 限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含 在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種產(chǎn)生渦旋電波的介質(zhì)諧振器天線陣列，包括多條微帶線、同軸饋電端口、多個(gè)矩 形槽、N個(gè)介質(zhì)諧振器天線、介質(zhì)基板和接地面，N為大于或等于4的正整數(shù)，其特征在于， 矩形槽、介質(zhì)諧振器天線以及接地面均設(shè)置在介質(zhì)基板的一面； 介質(zhì)諧振器天線沿周向均勻分布在介質(zhì)基板上； 矩形槽設(shè)置在介質(zhì)諧振器天線和接地面連接處，其數(shù)量等于N; 介質(zhì)諧振器天線設(shè)置于接地面上； 微帶線沿周向均勻分布在介質(zhì)基板的另一面，其數(shù)量等于N; 微帶線的一端由同軸線通過同軸饋電端口饋電，另一端與矩形槽耦合，用于為介質(zhì)諧 振器天線饋電。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的介質(zhì)諧振器天線陣列，其特征在于，介質(zhì)諧振器天線為圓柱 介質(zhì)諧振器天線，其由陶瓷填料的聚四氟乙烯復(fù)合材料構(gòu)成。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的介質(zhì)諧振器天線陣列，其特征在于，圓柱介質(zhì)諧振器天線的 大小和其諧振頻率成正比。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的介質(zhì)諧振器天線陣列，其特征在于，在HE115傳輸模式下，圓 柱介質(zhì)諧振器天線的半徑和高度由公式計(jì)算，其中h是圓柱介質(zhì)諧振器天線的高度，r是圓柱介質(zhì)諧振器天線的半徑，f。是天線的 諧振頻率，％是圓柱介質(zhì)諧振器天線的介電常數(shù)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的介質(zhì)諧振器天線陣列，其特征在于，介質(zhì)基板是由添加了玻 璃纖維的聚四氟乙烯復(fù)合材料構(gòu)成。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種產(chǎn)生渦旋電波的介質(zhì)諧振器天線陣列。該天線陣列由N個(gè)均勻布置在圓形印制板(接地面?zhèn)?上的介質(zhì)諧振器天線構(gòu)成，介質(zhì)諧振器天線和接地面連接處開有N個(gè)矩形槽；印制板的另一面布有N條均勻分布的微帶線，N≥4，微帶線的一端由同軸線饋電，另一端通過和矩形槽的耦合給介質(zhì)諧振器天線饋電。從而產(chǎn)生N-1個(gè)模式的渦旋電波(OAM波)。本發(fā)明的介質(zhì)諧振器天線陣列具有高增益、低損耗和高寬帶的優(yōu)點(diǎn)。
【IPC分類】H01Q13/10, H01Q1/36, H01Q21/00
【公開號(hào)】CN105098335
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510563225
【發(fā)明人】張思賢, 桂良啟, 劉丹丹
【申請(qǐng)人】華中科技大學(xué)
【公開日】2015年11月25日
【申請(qǐng)日】2015年9月7日