双频带倒F型结构地模辐射OAM天线

双频带倒f型结构地模辐射oam天线
技术领域
1.本发明涉及微波与天线技术领域，尤其是涉及一种双频带倒f型结构地模辐射oam天线。


背景技术：

2.涡旋电磁波含有轨道角动量oam，oam的特点是具有螺旋相位波前，相位随着空间方位角呈线性递增或递减变化。oam模态数具有无穷性，且不同的oam模态之间相互正交，因此基于oam的新型复用技术用于提高频谱复用率、扩大通信信道容量等。
3.oam应用于无线通信技术中的许多方面，比如：大吞吐量oam多端口收发系统、防泄密高可靠性oam阵列系统、抗干扰螺旋相位板oam天线、多线程高速率oam集成天线系统等。将oam应用于物联网小型终端的研究也在逐步展开。
4.基于oam的新型复用技术日趋成熟，oam落地于小型移动终端也指日可待。由于移动设备体积小、集成度高，因此终端内部oam辐射天线的小型化和低成本也是一大难题。现有的oam天线局限于对涡旋电磁波辐射特性的研究，并没有特别考虑oam天线的实际应用，设计出来的oam天线尺寸偏大，天线布局一般需要占据整个地板，利用阵列结构辐射oam波的馈电网络更是十分复杂。因此，现有的oam辐射天线对于小型移动终端都不具备应用价值。
5.对于小型移动终端，考虑到内部空间有限，各个器件都是集成在pcb板上，而天线则需要加载在pcb板一侧或是地板边缘，因此终端天线一般考虑使用结构简单的单极天线，比如pifa天线、ifa天线等。对于涡旋电磁波的辐射，合成oam需要引入90度相差，这一点对于单极天线是很大的挑战。因此，想要利用小型终端天线辐射出oam波并不容易。
6.考虑到oam波的tm模式合成原理，若通过引入90度相位差激励金属接地面上的高阶tm模式，则可以通过小型终端内的接地面辐射oam波，从而实现oam天线的小型化和低成本。
7.而接地面上电磁模式，多是通过耦合方式激励。这种耦合馈电结构，在另一频带也可成为辐射天线。这样，利用接地面辐射模和耦合馈电结构辐射模，容易实现小型终端天线的双频甚至多频特性。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于针对现有技术存在上述问题，提供一款可双频带工作，紧凑小型化、成本低、馈电结构简单，能同时应用于一般无线通信和oam新型复用通信的双频带倒f型结构地模辐射oam(orbital angular momentum)天线。该天线低频工作时，弯折金属带线发生自谐振，工作为倒f型天线；高频工作时，弯折金属带线作为非谐振耦合单元，激励矩形接地面的tm模式辐射出oam波。
9.本发明包括介质基板、弯折金属带线、共面矩形金属接地面和同轴馈线；该介质基板为单面覆铜的fr4介质基板；该介质基板覆铜的一面包含一条弯折金属带线和一块共面
矩形金属接地面，弯折金属带线与共面矩形金属接地面之间连接；该介质基板未覆铜一面装载同轴馈线。
10.所述弯折金属带线始端与矩形接地面短接，该侧金属带线称作短接端带线，末端与矩形接地面之间开路，该侧金属带线称作开路端带线。
11.所述共面矩形金属接地面为正方形。
12.所述同轴馈线内导体通过基板穿孔接在弯折金属带线转角附近，外导体通过基板穿孔接在矩形接地面转角附近。
13.所述双频带倒f型结构地模辐射oam天线拥有双频带特性。
14.所述弯折金属带线、共面矩形金属接地面、同轴馈线共同构成以弯折金属带线为辐射体的弯折倒f型结构单极天线，在低频处弯折金属带线发生自谐振辐射。
15.所述弯折金属带线、共面矩形接地面、同轴馈线共同构成地模辐射oam天线，在高频处通过耦合激励接地面tm模式，辐射oam波模态数为1。
16.本发明提出的双频带倒f型结构地模辐射oam天线，既能用作一般无线通信下的小型终端设备收发天线，也能用作oam新型复用通信下的oam辐射天线。oam天线产生的涡旋电磁波可以极大地提高频谱利用率、增加信道容量，在复用通信资源日趋紧张的现状下有着强大的应用前景。本发明所用的介质基板和接地金属面尺寸小、剖面低、成本低，无需复杂的馈电结构，也没有密集的布线布局，非常适用于手机、平板等小型移动终端。本发明对于oam天线的实际落地有着重要的应用价值。
附图说明
17.图1为本发明实施例的结构示意图。
18.图2为本发明实施例的正面与背面示意图。其中，(a)为天线正面示意图，(b)为天线背面示意图。
19.图3为本发明所述双频带倒f型结构地模辐射oam天线的s11曲线仿真和实测图。
20.图4为本发明所述双频带倒f型结构地模辐射oam天线在5ghz下的远场方向图。其中，(a)为xoz切面方向图，(b)为yoz切面方向图，(c)为xoy切面方向图。
21.图5为本发明所述双频带倒f型结构地模辐射oam天线在10.8ghz下的远场方向图。
22.其中，(a)为xoz切面方向图，(b)为yoz切面方向图，(c)为xoy切面方向图。
23.图6为本发明所述双频带倒f型结构地模辐射oam天线在10.8ghz下的近场特性图。
24.其中，(a)为相位分布图，(b)为幅度分布图。
具体实施方式
25.以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
26.参见图1，本发明实施例所述双频带倒f型结构地模辐射oam天线，包括介质基板1、弯折金属带线2、共面矩形金属接地面3和同轴馈线4；该介质基板1为单面覆铜，采用fr4介质材料，介电常数εr＝4.4，厚度为1mm；该介质基板1的上表面包含弯折金属带线2和共面矩形金属接地面3，介质基板1的下表面接有同轴馈线4。
27.参见图2(a)，介质基板的长和宽均为w＝29.8mm；共面矩形金属接地面的长和宽均为l＝22.6mm；弯折金属带线的短接端带线长为l1＝22.6mm、宽为t＝1mm，弯折金属带线的
开路端带线长为l2＝22.4mm、宽为t＝1mm，弯折金属带线的短接端带线与开路端带线均与共面矩形金属接地面相隔s＝1.6mm；同轴馈线的内导体a通过基板穿孔接在距弯折金属带线的短接端带线上距离始端d＝22.2mm处，外导体a’通过基板穿孔接在共面矩形金属接地面右下角边沿。参见图2(b)，介质基板背面无覆铜，同轴馈线加载在介质基板背面，通过基板穿孔与弯折金属带线和共面矩形金属接地面相互连接。
28.图3是所述双频带倒f型结构地模辐射oam天线馈电后的反射系数s11曲线图，反映天线具有双频带特性，工作频带分别为4.9-5.14ghz和10.43-10.99ghz。
29.图4是所述双频带倒f型结构地模辐射oam天线在5ghz下的远场方向图。参见图4(a)，该天线的xoz面的方向图在沿着传播轴y的旋转方向上具有近似全向特性，参见图4(b)和图4(c)，该天线的yoz面和xoy面方向图具有较好的方向性，表明此频段时天线的主辐射面为xoz面。从5ghz的远场特性可以看出，该天线在低频时工作为倒f型单极天线，此时弯折金属带线发生自谐振向外辐射，并且其方向性主要由开路端带线上电流决定。
30.图5是所述双频带倒f型结构地模辐射oam天线在10.8ghz下的远场切面方向图，参见图5(a)和图5(b)，该天线的xoz面和yoz面的方向图均在z传播方向上呈凹陷的极小值点，参见图5(c)，该天线的xoy面方向图沿着传播轴侧向的方向强度存在4个凹陷的波瓣，符合oam波的特性。
31.图6是所示的是双频带倒f型结构地模辐射oam天线在10.8ghz下的近场分布图，参见图6(a)，相位分布的x分量、y分量、z分量分别有1个、1个、2个涡旋相位奇点，参见图6(b)，幅度分布的x分量、y分量、z分量均含有中心极小值点，符合1阶oam波的特性。
32.以上实施例只是一个给定双频带的效果呈现，根据本发明及说明书内容所作的效仿与修改，仍属本发明涵盖的范围内。