一種基于環(huán)形槽線的oam螺旋波束發(fā)生器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型屬于OAM射頻無線通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于環(huán)形槽線的OAM 螺旋波束發(fā)生器。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來通信技術(shù)的快速發(fā)展對通信容量提出了越來越高的要求，如何提高頻率利 用率，盡可能提高系統(tǒng)容量，已成為業(yè)界極其關(guān)心的問題。
[0003] 角動量是電磁波的基本物理特性之一，它大體上劃分為旋轉(zhuǎn)角動量（SAM)和軌道 角動量（OAM)。相比于旋轉(zhuǎn)角動量，軌道角動量前景更好，因為旋轉(zhuǎn)角動量由于它電磁波的 極化狀態(tài)只提供了有限的信道；然而軌道角動量擁有無限多個相互正交的模式，因而在理 論上能夠提供許多傳輸信道從而提高傳輸容量。
[0004] 軌道角動量復(fù)用技術(shù)在光頻段已經(jīng)實現(xiàn)，中國專利CN104007567A、CN103941405A、 CN103487956A等對軌道角動量復(fù)用技術(shù)在光頻段的實現(xiàn)方法進行了介紹；然而軌道角動 量復(fù)用技術(shù)在射頻頻段實現(xiàn)較為困難，目前，中國專利CN103474776A公開了一種基于環(huán)形 行波天線產(chǎn)生射頻軌道角動量波束的方法，在理論層面論證了產(chǎn)生射頻OAM波束的環(huán)形行 波天線的特點；中國專利CN103474777A公開了一種基于金屬環(huán)形腔的產(chǎn)生射頻OAM波束 的環(huán)形行波天線，通過在環(huán)形金屬腔頂面開縫，在金屬環(huán)形腔側(cè)面相距1/4圓周處開有兩 個波端口接金屬波導(dǎo)作為雙源激勵端口，當這兩個激勵端口中輸入相同頻率，相位相差士 90°的微波源，金屬環(huán)形腔中的電磁場成繞圓周順時針或者逆時針傳播的行波分布，由金 屬腔頂面的開縫處向空間輻射電磁波，構(gòu)成一種環(huán)形行波天線，然而，上述發(fā)明公開的行波 天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難于制作，且不易集成，不利于加快和促進未來的射頻OAM波束高速通信發(fā) 展。
[0005] 因此，急需研究開發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡單，易于制作集成的能夠產(chǎn)生射頻OAM螺旋波束 的發(fā)生器。 【實用新型內(nèi)容】
[0006] 本實用新型的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單，易于制作集成的基于環(huán)形槽線的OAM 螺旋波束發(fā)生器。
[0007] 本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的，包括設(shè)置于第一銅板上表面的圓環(huán)形槽線、設(shè) 置于第一銅板下表面的介質(zhì)基板，設(shè)置于介質(zhì)基板下表面的微帶饋電網(wǎng)絡(luò)，以及設(shè)置于介 質(zhì)基板下方的第二銅板，所述介質(zhì)基板與第二銅板之間設(shè)置多個支撐介質(zhì)柱，所述圓環(huán)形 槽線上沿圓周方向分別設(shè)置有波源激勵端口 Pl和波源激勵端口 P2 ;所述微帶饋電網(wǎng)絡(luò)包 括相移功分器、與相移功分器輸入端相連接的信號輸入端口 p3以及分別與相移功分器的 輸出端相連接的輸出微帶線ql和輸出微帶線q2 ;所述輸出微帶線ql對波源激勵端口 Pl進 行饋電，所述輸出微帶線q2對波源激勵端口 p2進行饋電；所述第一銅板與第二銅板的邊緣 外圍采用環(huán)形銅板包覆。
[0008] 本實用新型針對具有巨大應(yīng)用潛力的OAM無線通信系統(tǒng)，提出了一種簡單可行的 基于環(huán)形槽線的OAM螺旋波束發(fā)生器；對于構(gòu)建OAM無線通信系統(tǒng)，加快OAM無線通信的實 用化，具有非常重要的意義。
[0009] 本實用新型的圓環(huán)形槽線使用微帶線進行激勵，設(shè)計了一個威爾金森功分器來為 圓環(huán)形槽線提供兩個相位相差90°的波源，在圓環(huán)形槽線中形成行波，輻射到空氣中產(chǎn)生 射頻OAM波束，并且通過改變環(huán)形槽線尺寸能產(chǎn)生不同模式數(shù)的OAM螺旋波束，該波束發(fā)生 器結(jié)構(gòu)簡易，易于制作集成。
【附圖說明】
[0010] 圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0011] 圖2為本實用新型中圓環(huán)形槽線的示意圖；
[0012] 圖3為本實用新型中微帶饋電網(wǎng)絡(luò)的示意圖；
[0013] 圖4為本實用新型中圓環(huán)形槽線與微帶饋電網(wǎng)絡(luò)相對位置關(guān)系的示意圖；
[0014] 圖中：1-第一銅板、2-圓環(huán)形槽線、3-介質(zhì)基板、4-第二銅板、5-支撐介質(zhì)柱、 6_相移功分器、7-環(huán)形銅板。
【具體實施方式】
[0015] 下面結(jié)合附圖對本實用新型作進一步的說明，但不得以任何方式對本實用新型加 以限制，基于本實用新型教導(dǎo)所作的任何變更或改進，均屬于本實用新型的保護范圍。
[0016] 如圖1-4所示，本實用新型包括設(shè)置于第一銅板1上表面的圓環(huán)形槽線2、設(shè)置于 第一銅板1下表面的介質(zhì)基板3,設(shè)置于介質(zhì)基板3下表面的微帶饋電網(wǎng)絡(luò)，以及設(shè)置于介 質(zhì)基板3下方的第二銅板4,所述介質(zhì)基板3與第二銅板4之間設(shè)置多個支撐介質(zhì)柱5,所 述圓環(huán)形槽線2上沿圓周方向分別設(shè)置有波源激勵端口 pi和波源激勵端口 p2 ;所述微帶 饋電網(wǎng)絡(luò)包括相移功分器6、與相移功分器6輸入端相連接的信號輸入端口 p3以及分別與 相移功分器6的輸出端相連接的輸出微帶線ql和輸出微帶線q2 ;所述輸出微帶線ql對波 源激勵端口 Pl進行饋電，所述輸出微帶線q2對波源激勵端口 p2進行饋電；所述第一銅板 1與第二銅板2的邊緣外圍采用環(huán)形銅板7包覆。
[0017] 所述圓環(huán)形槽線2上沿圓周方向設(shè)置的波源激勵端口 pi和波源激勵端口 p2之間 的距離為n± 1/4倍的圓環(huán)形槽線2的波導(dǎo)波長，其中η的取值為整數(shù)。
[0018] 所述構(gòu)成微帶饋電網(wǎng)絡(luò)的輸出微帶線ql的長度與輸出微帶線q2的長度相差 n± 1/4倍的輸出微帶線ql的波導(dǎo)波長，其中η的取值為整數(shù)。
[0019] 所述相移功分器6為威爾金森功分器。
[0020] 所述第一銅板1與第二銅板4之間相距1/4倍自由空間波長。
[0021] 實施例1
[0022] 步驟一：采用寬度w=2mm的微帶線設(shè)計工作模式? =3,工作頻率f=2. 4GHZ的圓環(huán) 形槽線2,采用FR4_epoxy，其介電常數(shù):)￡^.=4. 4,厚度h=l. 6mm的板材制作介質(zhì)基板3 ;其中 圓環(huán)形槽線2的波導(dǎo)波長為圓環(huán)形槽線的周長C為i倍波導(dǎo)波長^.，根據(jù)公式(一） 計算得到環(huán)形槽線天線1的波導(dǎo)波長％ :，
[0023]
(一）
[0024] 其中^為自由空間波長，Λ =H/，其中c為光速，f為工作頻率；
[0025] 通過上述計算得出，圓環(huán)形槽線2的波導(dǎo)波長=95. 96mm，圓環(huán)形槽線2的周長 為?倍波導(dǎo)波長，即C=287. 88mm，設(shè)置于圓環(huán)形槽線2上的波源激勵端口 pi和波源激勵端 口 P2之間相距3/4倍的圓環(huán)形槽線2的波導(dǎo)波長，即波源激勵端口 pi和波源激勵端口 p2 之間相距71. 97mm，從而實現(xiàn)圓環(huán)形槽線2的設(shè)計。
[0026] 步驟二：將工作頻率為1-4GHZ的威爾金森功分器的輸出端口分別連接輸出微帶 線ql和輸出微帶線q2,所述輸出微帶線ql和輸出微帶線q2采用寬度霄:=3mm的微帶線制 作，根據(jù)公式(二)計算得出等效介電常數(shù)箱，根據(jù)公式(三)計算得輸出微帶線Ql的波導(dǎo)波 長足'，
[0027] (二）
[0028] (三）
[0029] 計算得出輸出微帶線ql的波導(dǎo)波長:? =68mm，將輸出微帶線ql和輸出微帶線q2 之間的長度差調(diào)整為1/4倍的輸出微帶線ql的波導(dǎo)波長，即輸出微帶線ql比輸出微帶線 q2延長17mm，從而實現(xiàn)威爾金森功分器兩輸出端輸出90°的相差；調(diào)整兩輸出微帶線的走 向布局，使得兩個輸出微帶線的相對位置關(guān)系與圓環(huán)形槽線2的兩個波源激勵端口的位置 關(guān)系一致，從而實現(xiàn)微帶饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計。
[0030] 步驟三：將圓環(huán)形槽線2刻蝕在第一銅板1的上表面，將由威爾金森功分器改造形 成的微帶饋電網(wǎng)絡(luò)刻蝕在介質(zhì)基板3的下表面；同軸探針穿過第一銅板1和介質(zhì)基板3連 接到信號輸入端口 p3作為威爾金森功分器的信號輸入，兩個輸出微帶線沿徑向方向延伸 到圓環(huán)形槽線的兩個波源激勵端口的下方，分別對圓環(huán)形槽線的兩個波源激勵端口進行饋 電，在與第一銅板1相距1/4倍自由空間波長^處放置第二銅板4,同時第一銅板1與第二 銅板4的邊緣外圍采用環(huán)形銅板7包覆；所述第一銅板1下表面與介質(zhì)基板3于第二銅板4 之間均勻設(shè)置4個介電常數(shù)為2. 1的聚四氟乙烯支撐介質(zhì)柱5 ;從而實現(xiàn)能夠產(chǎn)生射頻OAM 螺旋波束的發(fā)生器的設(shè)計。
[0031] 步驟四：采用HFSS軟件對設(shè)計出的發(fā)生器進行建模和仿真，得到環(huán)形行波天線在 空間輻射的電場相位分布圖，由圖可見電場相位圍繞傳播方向軸的圓周角的變化呈現(xiàn)渦旋 特性，且電場相位沿圓周一圈變化滿足2iTl = 6r，符合工作模式為3的螺旋波束特性。
[0032] 實施例2
[0033] 步驟一：采用寬度w=2mm的微帶線設(shè)計工作模式? =2,工作頻率f=2. 4GHZ的圓環(huán) 形槽線2,采用FR4_epoxy，介電常數(shù)$[· =4. 4,厚度h=l. 6mm的板材制作介質(zhì)基板3 ;其中圓 環(huán)形槽線2的波導(dǎo)波長為^.，圓環(huán)形槽線2的周長C為I倍波導(dǎo)波長％.，根據(jù)公式(一)計 算得到環(huán)形槽線天線2的波導(dǎo)波長Λ
[0034]
(一）
[0035] 其中表為自由空間波長，，其中c為光速，f為工作頻率；
[0036] 通過上述計算得出，圓環(huán)形槽線2的波導(dǎo)波長^ =95. 96mm，圓環(huán)形槽線2的周長 為?倍波導(dǎo)波長，即C=287. 88mm，設(shè)置于圓環(huán)形槽線2上的波源激勵端口 pi和波源激勵端 口 P2之間相距1/4倍的圓環(huán)形槽線2的波導(dǎo)波長，即波源激勵端口 pi和波源激勵端口 p2 之間相距24mm，從而實現(xiàn)圓環(huán)形槽線2的設(shè)計。
[0037] 步驟二：將工作頻率為1-4GHZ的威爾金森功分器的輸出端口分別連接輸出微帶 線ql和輸出微帶線q2,所述輸出微帶線ql和輸出微帶線q2采用寬度觀=3mm的微帶線制 作，根據(jù)公式(二)計算得出等效介電常數(shù):巧，根據(jù)公式(三)計算得輸出微帶線ql的波導(dǎo)波 長七，
[0038] (二）
[0039] (三）
[0040] 計算得出輸出微帶線ql的波導(dǎo)波長%, =68mm，將輸出微帶線ql和輸出微帶線q2 之間的長度差調(diào)整為1/4倍的輸出微帶線ql的波導(dǎo)波長，即輸出微帶