基于圆形阵列的OAM波束产生系统设计与实现

针对目前轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)波束发生器模态单一、设计复杂等问题,设计并实现了一种在X频段内产生可调OAM波束的均匀圆形阵列天线。天线为半径60 mm 的圆盘,由8个阵元组成,阵元采用微带天线设计,同轴馈电,在中心频率处回波损耗达-51.5 dB ,S 11 < -10 dB 的工作带宽为9.6~10.5 GHz 。仿真和实测结果表明,天线可通过调节相位产生7种不同模态的涡旋电磁波,产生OAM为+1的涡旋电磁波纯度可达90%。通过误差分析发现,低模态数的涡旋电磁波对幅度和相位误差具有很好的抗干扰能力,这为利用涡旋电磁波实现目标探测和提高信道容量奠定了基础。     

基于5GHz无线频段的环形OAM微带阵列天线设计

频谱资源短缺和频谱利用率低已成为阻碍无线通信技术与物联网发展的重要因素,轨道角动量(OAM)作为一种可用于无线通信的新技术,引起了人们的广泛关注。文中提出一种基于5 GHz无线频段的环形OAM微带阵列天线,并设计了由物理长度可变移相器和U型移相器构成的馈电网络。解释了辐射阵元间馈电相位差的具体实现,分析了阵列天线的相关性能参数。仿真结果表明,阵列天线辐射出的OAM波束具有明显的螺旋相位波前结构,能够产生稳定的OAM涡旋电磁波。此阵列天线结构简单且易于加工,对解决未来无线电通信系统中信道容量需求与频谱资源短缺的矛盾具有一定的参考价值。     

基于多极矩展开的双模涡旋波束综合北大核心CSCD

为了增加通信系统传输容量,提高频谱效率,本文提出了一种利用多极矩展开（MME）产生携带两种不同模态轨道角动量（OAM）的涡旋电磁波的方向图综合方法。以同轴馈电的贴片天线为阵元,通过构建一个两环的同心圆环天线阵列,在保持内外环半径与激励幅值比不变的条件下来产生所需的涡旋波束。仿真结果表明,利用多极矩展开方法产生的OAM模态分别为1和2的涡旋波束的主瓣范围符合预期,同时旁瓣电平最高仅为-13.8dB。该研究为雷达成像、无线通信等领域的进一步发展提供了参考依据。     

X波段下产生涡旋电磁波的阵列天线设计

随着无线通信应用的飞速发展,频谱资源日益紧张,射频频谱资源已日趋香农极限。为解决这个问题,无线通信中引入了携有轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)的涡旋电磁波,以有效提高频谱利用率。微带天线阵技术是产生涡旋电磁波常用的方法之一,以同轴馈电的矩形微带天线为阵元,设计了阵元数目分别为6,8,12的3种环形阵列天线,来产生携带有轨道角动量的涡旋电磁波。分析了不同轨道角动量模式数下,涡旋电磁波辐射能量和最大增益辐射角度变化情况。利用Ansoft HFSS仿真软件,在中心频率10 GHz处,比较了阵元数目对电磁波的涡旋特性影响。仿真结果表明,更多数量的天线阵列产生的涡旋电磁波涡旋性能更好。     

一种旋转圆极化阵元产生OAM波束的圆形阵设计方法北大核心CSCD

根据电磁理论推导提出了一种依次旋转天线阵中的圆极化阵元产生OAM波束的方法。然后,给出了一个八单元宽频带圆极化圆形阵的设计实例。在设计实例中,通过对所有阵元沿顺时针(或逆时针方向)依次旋转一定角度,可以生成模式数l=0,±1,±2,±3的OAM波束。与现有文献采用的控制阵元间馈电相位差来产生OAM波束的方法不同,本方法中所有阵元馈电相位相同,这不仅有利于OAM天线系统简化馈电网络设计,而且避免了由阵元间相移器引入的相位误差。     

模态波束双可重构OAM发生器的研究

针对圆环形阵列天线产生轨道角动量(orbital angular momentum, OAM)涡旋波的技术, 提出了宽带圆极化单臂螺旋天线(single-arm spiral antenna, SASA)构成的机械可重构圆环形阵列天线, 并深入研究了OAM涡旋波的模态检测和收发情况.利用SASA的相位特性, 调控各阵元绕自身轴线的旋转角度, 可灵活控制OAM涡旋波的主波束辐射方向.该设计可实现OAM模态和涡旋波辐射方向双可重构调控特性, 并根据SASA的旋转角方向实现左旋圆极化或右旋圆极化OAM涡旋波.实验加工并测试了该可重构圆环形OAM阵列天线, 验证了该思想和方法的正确性和有效性.     

多波束涡旋电磁波反射阵天线设计

针对传统反射阵天线产生涡旋电磁波存在方向单一、轨道角动量(Orbital Angular Momentum, OAM)模态单一的问题,设计了一款多波束涡旋电磁波反射阵天线。提出了一款基于旋转单元法的新型宽带圆极化单元,并利用口径场叠加法,获得了单个馈源产生多个涡旋波束的反射阵阵面补偿相位。仿真结果表明,该天线在26.5～32 GHz生成了2个携带模态-1和+1的涡旋波束,OAM带宽和3 dB增益带宽均为18.3%。在工作带宽内,最大增益为18.3 dBic,口径利用效率为10.31%。     

双频水平极化全向天线设计

分析并设计了一种双频水平极化全向天线,该天线采用印刷偶极子组阵形式实现全向辐射性能,采用双辐射臂形式以及梯形渐变线馈电,实现在2.4~2.5 GHz和5.1~5.9 GHz上回波损耗低于-10 dB的双频特性。低频增益1.2 dB,不圆度为0.2 dB;高频增益2.4 dB,不圆度为2 dB。该天线结构简单,拥有良好的全向性。     

基于多模态OAM涡旋电磁波的L波段宽频阵列天线设计

频谱资源紧缺已成为无线通信技术发展的瓶颈．本文通过控制阵元间馈电相位差将轨道角动量（orbit-al angular momentum）技术应用于阵列天线中,利用L型探针馈电微带贴片天线沿圆周等距排列设计出一种工作频段在1．35GHz～1．86GHz,相对带宽达到31．8％的8阵元涡旋电磁波宽频微带天线．仿真实验表明,该天线可以产生具有多模态轨道角动量的涡旋电磁波,当用于移动通信系统的发射端,它能够实现在同一时间、同一频率下的多路信号传输,提高了系统的容量和传输速率．     

一种应用于WLAN的容性馈电微带天线设计

在简单矩形微带天线的基础上,通过加一容性馈电贴片设计了一种应用于WLAN的微带天线。通过在矩形微带天线对角线馈电的方式实现了双频;容性馈电贴片的引入,抵消了因馈电探针过长而使天线输入阻抗呈感性的影响,从而展宽了天线的阻抗带宽。仿真结果表明,当回波损耗S11–10 dB时,天线在2.44 GHz处带宽为120MHz(2.38~2.50 GHz),增益为5.7 dB;在5.42 GHz处带宽为1 GHz(5.12~6.12 GHz),增益为8.4 dB。该天线全面覆盖了WLAN所要求的频段,且性能良好,结构简单。     

采用新型馈电结构的双频宽带导航天线设计

基于新馈电结构,设计了一款覆盖全球四大卫星导航系统的双频宽带贴片天线。采用了一种四分八馈电线路,以8个同轴馈电探针两两相连的方式将两路天线馈电信号合为一路,有效简化了馈电网络的复杂性,同时保证了天线辐射的增益、带宽和轴比性能。该双频辐射贴片单元采用正八边形层叠式结构设计,并在每个天线单元边缘对称添加两组矩形调谐单元,有效增加了天线辐射的波束带宽。该双频天线单元在高频1.482~1.617 GHz（波束带宽155 MHz）和低频1.191~1.252 GHz(波束带宽61 MHz）频段范围内,都能保证良好的辐射增益;高低频的3 dB轴比带宽为-130°~130°,具备良好的圆极化性能。经实物样机对比测试分析,实测结果与仿真结果基本吻合。     

一种新型互补结构的宽带圆极化印刷天线北大核心CSCD

设计了一种新型的宽带圆极化微带天线,天线由两个完全相同的矩形微带贴片组成,采用微带线馈电方式为天线的上层微带贴片进行不对称馈电,下层贴片作为天线的部分地。天线从整体上是一个互补结构,根据圆极化产生的原理,在与馈电微带线相垂直的地方,开一条缝隙,产生正交的表面电流,调节天线的主要参数,使产生等幅正交的空间电场分量,从而产生圆极化波。通过增加十字形调谐结构,调节天线高频段的阻抗带宽和轴比带宽。天线在中心频率2.55 GHz处阻抗带宽(S11<-10 dB)为151%(0.8 GHz^4.5 GHz),天线的轴比带宽(AR<3 dB)为82.3%(1.5 GHz^3.6 GHz)。     

定向超宽带平面天线阵列设计

设计了一种超宽带（ultra-wideband, UWB）定向平面天线二元阵列。两个圆形单极子天线单元通过T 型功分馈电网络组成二元阵。天线在-10dB 以下回波损耗从2.98～10.96GHz,绝对阻抗带宽为7.98GHz,倍频程为3.68。天线增益在3GHz,6GHz 和9GHz 时,分别为3.54dB,5.03dB 和5.67dB。天线最终尺寸为28.4×67 mm2, 厚度为1mm。有效 实现了方向图定向性,可用于远距离地面宽带通信系统。     

用于移动卫星系统的宽波束双频微带天线

设计了一种新型的宽波束双频双圆极化层叠结构微带介质天线,该天线可发射L波段的左旋圆极化信号,接收S波段的右旋圆极化信号。天线通过展宽上下2层微带贴片的介质衬底,从而增大天线的波束宽度,3 dB波束宽度可达到160°以上。同时采用4馈点馈电的层叠结构,使用2个3 dB宽带电桥分别对上下2层贴片进行馈电,实现圆极化的同时也大大提高了效率,而且通过调节馈电的位置可以很容易的实现匹配,实验结果表明,该天线具有较好的收发隔离度,非常宽的3 dB波束宽度,而且在波束范围内都有很好的圆极化特性。     

共面波导馈电的多模天线设计

设计了一种可工作在共面波导和耦合槽线两种模式下的耦合渐变槽线天线,该天线采用双端口共面波导馈电.仿真和测试结果显示:"和"端口馈电时,5.8～7.7 GHz的S11均小于-10 dB,波束在最大辐射上均具有较好的极化纯度,交叉极化电平小于-25 dB;"差"端口馈电时,S11在5 GHz后,除个别频点外均小于-10 dB,差波束在天线辐射方向上具有-20 dB的零深,并随着工作频率增加,两个波瓣逐渐靠近,旁瓣电平逐渐降低,方向性更加明显.     

一种水平全向平面偶极子阵列天线

基于偶极子组阵结构,设计了一种具有水平全向辐射方向图和水平极化特性的平面天线。该天线由3只偶极子天线组成,每只振子弯折30°并上下交错印刷在PCB板的表面上,构成正六边形环,环的直径为0.45λ0(λ0为中心频率处的自由空间波长)。3只偶极子天线均采用SMA接头直接顶馈,从而省略了偶极子天线的馈电巴伦。通过优化偶极子天线振子长度和间距等结构参数,以及控制馈电相位,实现水平全向辐射。设计和加工制作了一只工作频率为2.45 GHz的天线样品,测试与仿真结果吻合良好,其|S11|≤10 dB的相对阻抗带宽为12.94%(2.367~2.684 GHz),水平全向增益约为1.42 dBi,不圆度小于±0.7 dB。     

一种基于5G应用的圆极化微带相控阵天线

本文提出一款应用于5G频段,可实现方位面±40°波束扫描的圆极化微带相控阵天线。该相控阵天线单元是由矩形贴片、上下介质板、缝隙耦合馈电结构、金属反射板构成。利用切比雪夫综合法的一分八不等分功分器实现相控阵天线的馈电形式。测试结果表明,阵列天线的驻波比带宽为3.25 GHz～3.69 GHz,端口隔离度大于25 dB,扫描过程中增益最大为21 dB,增益衰落小于3 dB,最大扫描角处轴比为2.89 dB。该天线具有低剖面、高隔离度、高增益以及良好的波束扫描性能等优点。     

基于MEMS开关的方向图可重构天线的设计

设计了一种波束可重构天线,以实现宽带、宽角方向图可重构设计。该天线由4组具有不同波束指向的天线子阵组成,通过6个RF-MEMS开关控制其波束指向;采用的宽带单元天线,在2.4 GHz～3.4 GHz频率范围内(相对带宽34.5%),电压驻波比小于2。馈电网络的设计采用小型化宽带阻抗变换器,减小了馈电网络尺寸,并拓展了带宽。仿真结果表明,可重构天线实现了0°,25°,40°和50°的不同波束指向,除部分频点外,4种状态天线的驻波在2.5 GHz～3.25 GHz(相对带宽26%)带宽内驻波比均小于2。     

串联邻近耦合馈电微带天线阵列的设计

针对高增益、高效率的微带天线需求,将邻近耦合馈电引入串馈微带阵列,提出两种串联谐振微带天线阵列设计。首先研制出1??16元低副瓣串联天线阵列,工作频率35 GHz,测试得到增益为17.3 dBi,带宽4.3%,副瓣电平-17.6 dB。在上述馈电方式中引入U型谐振器及馈电缝隙,提出一种串联邻近耦合馈电的双频正交极化天线阵列,中心频率分别为4.5 GHz和5.0 GHz,两个频带内带宽分别为5.0%和7.8%,隔离良好,中心频率处增益为7.6 dBi和8.2 dBi。这种馈电方式便于组成高效率的大阵列,同时具有良好带宽,在实现多功能共口径阵列中具有独特优势。     

Ku波段双频正交极化微带阵列天线

设计了一种Ku波段双频正交极化256元微带阵列天线。该阵列天线的正交极化辐射通过共面微带线和背向探针分别进行激励,并结合阵列馈电网络的有效设计实现了宽频带、高隔离和高增益性能。仿真和实测结果表明,该阵列天线的垂直极化端口相对阻抗带宽（S11≤-10 dB）达到21.04%,覆盖频率范围10.7～13.33 GHz;水平极化端口相对阻抗带宽达到27.86%,覆盖频率范围12.4～16.37 GHz;两极化端口隔离度高于40 dB;工作带宽内天线增益达到28～30.1 dBi。