用于产生射频OAM波束的HW‑SIW环形谐振腔结构天线及复用器的制作方法

本发明属于射频OAM无线通信技术领域，具体涉及基于半模基片集成波导(HW-SIW)环形谐振腔的用于产生射频OAM波束的天线及复用器。

背景技术：

随着移动互联网的快速发展以及智能终端的大量普及，促使移动互联网呈现出爆炸式发展趋势,然而，这将使无线通信系统分配的频谱资源变得日益拥挤，系统容量变得日益匮乏。目前，移动通信系统的容量已经接近了香农极限，为了解决日益突出的系统容量匮乏以及频谱资源短缺问题，满足即将到来的移动数据业务的快速增加。目前，时分复用，频分复用，码分复用等复用技术已经成熟的用到无线通信系统中；电磁波的幅度，相位，频率，极化等维度也已经很大程度的被利用到了无线通信系统当中。因此，在传统的无线通信理论和系统的基础提高系统的容量和扩展频谱资源已经越来越困，因而需要更多的新技术来解决这些问题。电磁波的轨道角动量(OAM)作为一种新型技术，为解决上述问题提供了方法。

目前，产生轨道角动量的方法主要有投射螺旋结构、投射光栅结构、螺旋反射面结构、天线阵列结构；然而通过对各个结构的分析我们发现：

1.投射螺旋结构只能针对一定的频率，并且产生的涡旋电磁波也只能集中在介质基板大小的区域内，而介质基板外面的区域依然是平面波；

2.投射光栅结构产生轨道角动量，其制作全息光栅的过程复杂，制作过程技术要求含量高，使成本大大增加；

3.螺旋反射面结构简单易于实现，但是只能针对特定的频率做出移相，并且一个确定的几何结构只能产生一种模式的OAM波，若需生成不同的OAM波束，则必须调整螺旋反射面的尺寸，这在实际应用中会造成不便；

4.相控阵列天线虽然能实现射频OAM的复用，但是对各个阵元间的相位控制要求严格，并且同时需要对多段口进行馈电，这将增加相控阵天线的复杂程度。

上述结构都是产生射频OAM波束的天线装置，或是结构复杂，或是加工技术要求高，或是馈电系统复杂等等，都将导致成本增加，不易集成，不利于加快和促进未来射频OAM波束在无线通信领域的高速发展和应用。因此，一种天线结构简单，馈电结构简单且易与现有通信系统集成的轨道角动量天线，对于提高无线通信系统的信道容量，加快射频OAM在无线通信系统的领域的应用，显得尤为重要。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术存在的问题及不足，天线的馈电系统和天线结构复杂、不易集成等，提供用于产生射频OAM波束的HW-SIW环形谐振腔结构天线，以及基于此天线的射频OAM波束复用器。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

用于产生射频OAM波束的HW-SIW环形谐振腔结构天线，其特征在于：包括介质基板，设置于介质基板下的接地板，设置于介质基板上的HM-SIW环形谐振腔，所述HW-SIW环形谐振腔上沿圆周方向分别开有两个矩形槽；所述HW-SIW环形谐振腔采用同轴探针进行馈电。

进一步地，所述的HW-SIW环形谐振腔上的两个矩形槽形状、尺寸均相同，且关于HW-SIW环形谐振腔的圆心对称；矩形槽的尺寸根据射频OAM模式确定。

进一步地，所述的同轴探针为单馈，馈电位置根据射频OAM模式确定。

本发明还提供了一种基于上述天线的射频OAM波束复用器，所述射频OAM波束复用器包括多个工作在不同工作模式的HW-SIW环形谐振腔结构天线，所述多个HW-SIW环形谐振腔结构天线以同心HW-SIW圆环的形式共同设置于介质基板上。

本发明的有益效果为：

本发明针对射频OAM波束在进行无线系统通信时，能够不占用额外的频谱资源的前提下，提出了一种简单可行的能够产生射频OAM波束的天线，以及在此基础上提供了一种射频OAM复用器。本发明基于HM-SIW环形谐振腔，并在HM-SIW环形谐振腔上开矩形槽，实现同轴单馈即可产生射频OAM波束；为加快射频OAM复用通信系统的实用化，具有重要作用。与现有技术相比，本发明大大缩小了天线的尺寸，使天线的结构更紧凑、更加简单，且馈电系统简单化，同轴单馈即可产生射频OAM波束，使天线系统的设计变得更加简单，从而使上述天线易于集成，且功耗和成本都大大降低。同时，本发明通过在多个HW-SIW环形谐振腔结构天线以同心HW-SIW圆环的形式共同设置于介质基板上，即可得到一种射频OAM波束复用器，从而实现射频OAM波束的复用。

附图说明

图1为本发明用于产生射频OAM波束的HW-SIW环形谐振腔结构天线的结构示意图，其中，(a)为俯视图，(b)剖视图；

图2为本发明提供工作模式l＝1的HW-SIW环形谐振腔结构天线在空间辐射的电场测试结果图，其中，(a)为电场强度分布图，(b)为电场相位分布图；

图3为本发明提供工作模式l＝5的HW-SIW环形谐振腔结构天线在空间辐射的电场测试结果图，其中，(a)为电场强度分布图，(b)为电场相位分布图；

图4为本发明提供的射频OAM波束复用器的结构示意图；

其中：1为HM-SIW环形谐振腔、2为介质基板、3为接地板、q₁和q₂为矩形槽、p₁为同轴馈电端口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明，但本发明并不局限于具体实施方式。

本发明提供用于产生射频OAM波束的HW-SIW环形谐振腔结构天线，其结构如图1所示，包括介质基板2，设置于介质基板上的HM-SIW环形谐振腔1，设置于介质基板下的接地板3，所述HW-SIW环形谐振腔上沿圆周方向分别开有两个矩形槽q₁和q₂；所述HW-SIW环形谐振腔采用同轴探针p₁进行馈电；所述的HW-SIW环形谐振腔上的两个矩形槽q₁和q₂形状、尺寸相同，且关于HW-SIW环形谐振腔的圆心对称；矩形槽尺寸大小根据不同射频OAM模式调整确定；所述的同轴探针为单馈，馈电位置视不同的射频OAM模式调整确定。

如图4所示，为基于上述HW-SIW环形谐振腔结构天线的射频OAM波束复用器，包括多个工作在不同工作模式的HW-SIW环形谐振腔结构天线，所述多个HW-SIW环形谐振腔结构天线以同心HW-SIW圆环的形式共同设置于介质基板上，所述每个HW-SIW环形谐振腔结构天线均只设置有一个同轴馈电端口。

实施例1

步骤一：设计工作模式l＝1，工作频率f＝5.8GHz的HM-SIW环形谐振腔，采用Rogers 5880，介电常数ε_r＝2.2，厚度h＝0.787mm，介质基板的长度和宽度都为L₀＝35mm，HM-SIW环型谐振腔金属柱沿着内半径方向每间隔均匀分布，金属柱半径r_via＝0.4mm，取内环半径与HM-SIW金属柱边缘距离1mm即R_via＝R_in-1mm，HM-SIW外环半径可以根据公式(1-1)和(1-2)得到：

$f_{nm}=\frac{{\mathrm{\α}}_{nm}.c}{2{\mathrm{\πa}}_{eff}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}---(1-1)$

$a_{eff}=a{\[1+\frac{2h}{{\mathrm{\πa\ϵ}}_r}(ln\frac{\mathrm{\π}a}{2h}+1.7726)\]}^{1/2}a/h\>\>1---(1-2)$

其中，α_nm是n阶贝塞尔函数的第m个零点值，a_eff为HM-SIW有效半径，h为介质基板的厚度，a为HM-SIW实际半径，c为真空中的光速，ε_r为介质的相对介电常数。

同轴馈电端50Ω阻抗匹配可以根据公式(1-3)得到：

$Z_{in}=\frac{60}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}ln\left(\frac{b}{a}\right)---(1-3)$

其中，Z_in为输入阻抗，a为同轴内半径，b为同轴外半径。

通过以上计算出HM-SIW外环半径约为12mm,同轴馈电取a＝0.5mm,b＝1.7mm进行50Ω阻抗匹配，且同轴馈电点距离圆心距离R_feed＝7.7mm，与x轴方向的夹角取HM-SIW环形谐振腔上矩形槽的长宽都为1mm。

步骤二：如图1所示，采用HFSS软件对设计出的天线进行建模和优化仿真，得到HM-SIW环形腔外半径R_out＝12.7mm，内半径R_in＝3.7mm，矩形槽沿半径切向长l₁＝1mm，沿半径方向宽w₁＝3mm。并且得到HM-SIW环形腔谐振天线在空间辐射的电场强度分布图，如图2(a)，电场相位分布图，如图2(b)，由电场相位围绕传播方向轴(z轴)的圆周角的变化呈现涡旋特性，且电场相位沿圆周一圈变化满足2πl＝2π，符合工作模式为1的螺旋波束。

实施例2

步骤一：设计工作模式l＝5，工作频率f＝5.8GHz的HM-SIW环形谐振腔，采用Rogers 5880，介电常数ε_r＝2.2，厚度h＝0.787mm，HM-SIW环型谐振腔金属柱沿着内半径方向每间隔均匀分布，金属柱半径r_via＝0.4mm，取内环半径与HM-SIW金属柱边缘距离1mm即R_via＝R_in-1mm，HM-SIW外环半径可以根据公式(1-1)和(1-2)得到：

$f_{nm}=\frac{{\mathrm{\α}}_{nm}.c}{2{\mathrm{\πa}}_{eff}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}---(1-1)$

$a_{eff}=a{\[1+\frac{2h}{{\mathrm{\πa\ϵ}}_r}(ln\frac{\mathrm{\π}a}{2h}+1.7726)\]}^{1/2}a/h\>\>1---(1-2)$

其中，α_nm是n阶贝塞尔函数的第m个零点值，a_eff为HM-SIW有效半径，h为介质基板的厚度，a为HM-SIW实际半径，c为真空中的光速，ε_r为介质的相对介电常数。

同轴馈电端50Ω阻抗匹配可以根据公式(1-3)得到：

$Z_{in}=\frac{60}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}ln\left(\frac{b}{a}\right)---(1-3)$

其中，Z_in为输入阻抗，a为同轴内半径，b为同轴外半径。

通过以上计算出HM-SIW外环半径约为36mm,同轴馈电取a＝0.5mm,b＝1.7mm进行50Ω阻抗匹配，且同轴馈电点距离圆心距离R_feed＝25.5mm，与x轴方向的夹角取HM-SIW环形谐振腔上矩形槽的长宽都为1mm。

步骤二：采用HFSS软件对设计出的天线进行建模和优化仿真，得到HM-SIW环形腔外半径R_out＝36.3mm，内半径R_in＝16.7mm，矩形槽沿半径切向长l₁＝2.3mm，沿半径方向宽w₁＝2.1mm。并且得到HM-SIW环形腔谐振天线在空间辐射的电场强度分布图，如图3(a)，电场相位分布图，如图3(b)，由电场相位围绕传播方向轴(z轴)的圆周角的变化呈现涡旋特性，且电场相位沿圆周一圈变化满足2πl＝10π，符合工作模式为5的螺旋波束。

如图4所示，进一步地，基于实施例1和实施例2中设计的HM-SIW环形谐振腔天线，计算得到工作模式l＝1,5时，相应HM-SIW环形谐振腔天线的结构尺寸；将上述不同工作模式的HM-SIW环形谐振腔天线以同心的方式共同设置于一块介质基板上，所述的每个HM-SIW环形谐振腔天线均只设置一个同轴馈电激励，从而得到射频OAM波束复用器。

上面结合附图对本发明实施例进行了详述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式。本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求的保护范围下，还可以设计出工作在其他频率和其他工作模式的，可以产生射频OAM螺旋波束的HM-SIW环形谐振腔天线。本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法、或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。