[发明专利]基于电磁带隙的三模态OAM天线及其设计方法

说明书

本发明公开了一种基于电磁带隙的三模态OAM天线及其设计方法，该方法提出一种均匀旋转阵列基础上结合高阶模式的半模谐振模式的OAM天线，高阶模式源于基片集成波导的方形谐振腔，并通过将腔体沿对角线剪裁构成其三角形半模，且在相邻阵元之间分别引入两个背靠背分布的EBG谐振单元；本发明的主要结构特征由位于介质基板上的四个等腰直角三角形贴片单元、单元两腰的金属化通孔、八个位于介质基板上表层的谐振环EBG单元组成以及金属接地基板组成；其中，周期性金属通孔贯穿三角形贴片、介质基板以及金属接地基板三者之间，形成近似理想电壁。本发明的性能特点是结构紧凑、易与平面集成且具有较高带宽和带内隔离度。

技术领域

本发明属于OAM无线通信技术领域，具体涉及一种基于电磁带隙的三模态OAM天线及其设计方法。

背景技术

随着无线电技术的发展和通信领域对通信速率需求的增长，频谱资源日益稀缺。但是，设计多模态的OAM天线是提高频谱利用率潜在的有效办法。不同于通常天线设计使用的频域、空域等连续的维度，OAM所具有的模态是一个量子化的维度。在理论上，基于正交的OAM本征模可以在现有频段内设计无限的传输信道，使得可以在同一频率能够同时传输多条信息，从而提高频谱利用率。

现有的OAM天线大多是采用均匀圆形阵列构成，为满足阵元间的高隔离度，均匀圆形阵列的阵元间距需满足一定要求，这导致天线的体积不够紧凑。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于电磁带隙的三模态OAM天线及其设计方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于电磁带隙去耦结构的三模态OAM天线，天线由四个半模SIW三角形谐振腔、四个独立同轴探针以及4N个谐振环贴片单元组成，N＝2、3、4，其中四个半模SIW三角形谐振腔辐射边在外且彼此背靠背，构成紧凑型顺序旋转阵列，同时相邻半模SIW三角形谐振腔之间具有N个谐振环贴片单元；均匀排列的金属化通孔位于等腰直角三角形的两腰，形成半模SIW三角形谐振腔。

进一步的，当N＝2时，两个谐振环贴片单元背靠背放置，当N＝3时，其中两个相邻谐振环贴片单元背靠背放置，另一个谐振环贴片单元与中间的谐振环贴片单元面对面设置；当N＝4时，每两个相邻谐振环贴片单元一组，背靠背设置。

进一步的，所述半模SIW三角形谐振腔是在方形SIW谐振腔的基础上，将腔体沿着对角线剪裁而产生的，并采用均匀旋转阵列配置方式构成OAM天线阵列。

进一步的，四个半模SIW三角形谐振腔采用电壁背靠背分布的分离式结构，相邻阵元之间的间距为波长的七分之一。

进一步的，天线采用独立同轴探针进行馈电，相邻半模SIW三角形谐振腔的馈电中心间隔90度圆心角；馈电中心到三角形两腰的距离相等。

进一步的，所述谐振环贴片单元为非封闭谐振环结构，由第一～第七微带线依次连接而成，其中第一微带线和第七微带线平行设置，第一微带线与第二微带线垂直连接，第七微带线与第六微带线垂直连接，所述第二微带线、第六微带线位于同一直线，第二微带线、第六微带线分别与第三微带线、第五微带线垂直连接，第三微带线、第五微带线与第四微带线垂直连接，所述第三微带线、第五微带线相互平行，第二微带线～第六微带线构成具有开口的矩形环结构，第一、第七微带线向矩形环内部延伸。

一种三模态OAM发射天线的设计方法，包括：

设计天线阵元，沿着方形谐振腔的短对角线剪裁后形成三角形HMSIW谐振腔单元；

根据SIW方形谐振腔模分析，确定当基板的相对介电常数固定时，方形谐振腔的边长大小，使得天线的中心频率在7.5GHz；

在均匀旋转阵列基础上结合方形谐振腔高阶模式的HMSIW三角形半模结构，形成四单元阵列OAM天线；

设计电磁带隙谐振环结构，通过调节谐振环的长度以及宽度使得隔离谐振频率在天线的工作中心频率附近。