[发明专利]一种小型化多波束涡旋波束产生装置

说明书

本发明公开了一种小型化多波束涡旋波束产生装置，包括：地板、介质基板和K个微带天线单元，每个微带天线单元包含椭圆环形微带天线贴片和M个馈电端口，每个馈电端口由同轴馈线和输入端口组成；介质基板上印制K个椭圆环形微带天线贴片，且其位置中心位于一个外椭圆上；每个微带天线单元中的M个输入端口分别蚀刻在地板上，每个微带天线单元中的M个同轴馈线垂直嵌入介质基板中。本发明利用少量小型化的天线单元进行组阵设计，实现了多波束涡旋波；避免了现有阵列天线阵元众多的缺点及单个天线波束调控能力有限的问题，使得涡旋波束的产生装置兼具小型化和波束覆盖范围广的特点。

技术领域

本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种小型化多波束涡旋波束产生装置，可用于通信与雷达系统。

背景技术

无线电技术因可以实现对信息的快速传输而为人类生活的方方面面带来了深刻变革，其相关产品已成为人们日常生活中不可或缺的一部分。与此同时，不断增多的通信业务使得不可再生的频谱资源日益紧缺，也使得通信速率趋于香农定理的极限，为进一步的通信性能提升提出挑战。为此，无线电相关技术急需取得突破性进展以解决上述问题，而作为信息载体的电磁波，也被广泛研究。近些年的研究表明，与传统平面波、球面波有着明显差异的涡旋电磁波(简称涡旋波)体现出解决频谱匮乏问题的可能性，其所携带的轨道角动量(orbital angular momentum，OAM)具有全新的自由度，且理论上在任意频率下都具有无穷多种互不干扰的正交模态。因此，涡旋波所具有的特性体现出提升频谱利用率的可能性，并在无线通信与雷达成像等领域体现出可观应用前景，已逐渐成为研究热点。

涡旋波的产生装置是其进一步研究与应用的基础，以往的涡旋波产生装置主要包括均匀圆环阵、反射或透射阵天线等。其中，均匀圆环阵含有数目众多的阵元，且阵元的数目随涡旋波模态的增加而增多，导致阵列规模的增大与复杂度的提升；反射阵或透射阵则对馈源与阵面的相对位置有严格要求，且馈源更进一步可能对产生的涡旋波束造成影响。上述两种阵列形式的涡旋波产生装置往往体积较大，并不利于实际应用。

现有的单天线的涡旋波产生装置，其自身体积较小，具备了一定小型化的特点，但由于单个天线形式简单，可进行调控的部分少，因此只能产生简单的涡旋波束。且由于单个天线的天线口径较小，涡旋波的发散特性更明显，使得其传输效果进一步下降，利用其产生高阶模态涡旋波时性能下降更为严重。因此单天线的涡旋波产生装置难以实现对涡旋波束的有效调控，体现出其在实际应用时的局限性。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种小型化多波束涡旋波束产生装置，利用少量小型化的天线单元进行组阵设计，实现了多波束涡旋波；避免了现有阵列天线阵元众多的缺点及单个天线波束调控能力有限的问题，使得涡旋波束的产生装置兼具小型化和波束覆盖范围广的特点。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

一种小型化多波束涡旋波束产生装置，包括：地板、介质基板和K个微带天线单元，每个微带天线单元包含椭圆环形微带天线贴片和M个馈电端口，每个馈电端口由同轴馈线和输入端口组成；

所述介质基板的下表面贴设于地板表面，所述介质基板的上表面印制K个椭圆环形微带天线贴片，且K个椭圆环形微带天线贴片的位置中心位于一个半长轴为Ra的外椭圆上；

每个微带天线单元中的M个输入端口分别蚀刻在所述地板上，每个微带天线单元中的M个同轴馈线垂直嵌入所述介质基板中；每个同轴馈线的顶端与对应的椭圆环形微带天线贴片连接，每个同轴馈线的末端与对应的输入端口连接；每个输入端口用于给与其连接的同轴馈线提供激励，并通过同轴馈线将能量传输至对应的椭圆环形微带天线贴片，以产生I个不同方向的涡旋波束；

其中，每个微带天线单元的工作模式为TM_n1，I个涡旋波束模态值的绝对值的最大值为L，K、M、I、L分别为正整数，且K≤2L，1≤M≤n/2，n≥2，I≥2。