共形轨道角动量阵列天线及馈电网络研究

作     者：甘志斌 

作者单位：海南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨永钦

授予年度：2023年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 

主      题：轨道角动量 涡旋电磁波 微带准八木天线 馈电网络 波束偏转 

摘      要：随着5G万物互联互通时代的到来,面临信息传输量剧增的同时也对通信速率和信道容量提出了更高的需求,频谱资源也愈发显得短缺。轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)作为一种不同于以往的信息传输方式,它在理论上具有多个的相互正交的模式可以有效的缓解频谱资源紧张问题,因而OAM具有广阔的应用前景。通过调查研究发现,目前对于OAM阵列天线的研究主要以均匀圆形阵列和平面结构为主,而对于共形结构方面的研究资料相对较少;当今多数的OAM天线的波束方向为垂直于阵面结构,因此对于阵列天线口径尺寸有一定要求,而八木天线作为一种端射天线可以有效改善阵列尺寸口径问题,非常适合于隧道通信以及雷达通信等方面;传统的馈电网络结构复杂且只能生成固定输出相位差,与阵列天线结合后只能产生单一模式OAM涡旋波,且大多为法向波束或偏转方向固定的波束。因此关于OAM的研究主要可以分为以下三个部分:1.利用微带化的八木天线可以与任意曲面载体共形的特性,本文设计一种以微带准八木天线为阵子的OAM阵列天线。通过观察仿真回波损耗、电场幅值图、电场相位图、三维增益图等结果,表明设计的OAM阵列天线产生的涡旋电磁波具有良好波前结构。并对所设计的共形OAM天线进行实物测试,结果表明该天线能够产生不同模式的OAM涡旋波。2.基于微带传输线理论,设计了三款“一进八出馈电网络,分别为等幅同相位、等幅45°相位差和等幅90°相位差;将馈电网络与OAM阵列天线结合产生模式值l=0、l=+1、l=+2的不同OAM涡旋特性的波束;最后引入PIN二极管,通过控制PIN二极管的导通和截止状态,改变微带线的电流路径长度,从而引起不同的输出相位延迟,达到控制馈电网络各输出端口的不同相位差,实现涡旋电磁波的模式可重构。3.基于相控阵扫描理论和涡旋电磁波束偏转的实现原理,根据公式推导出实现涡旋波束扫描时相控阵口径上所需的相位分布。验证OAM涡旋电磁波的波束扫描效果,并讨论分析涡旋波的偏转性能。仿真结果表明,该OAM阵列天线在传播方向120°(-60°～60°)扫描角内可以有效实现涡旋电磁波束偏转。