[发明专利]一种小型化多波束涡旋波束产生装置

权利要求书

1.一种小型化多波束涡旋波束产生装置，其特征在于，包括：地板、介质基板和K个微带天线单元，每个微带天线单元包含椭圆环形微带天线贴片和M个馈电端口，每个馈电端口由同轴馈线和输入端口组成；

所述介质基板的下表面贴设于地板表面，所述介质基板的上表面印制K个椭圆环形微带天线贴片，且K个椭圆环形微带天线贴片的位置中心位于一个半长轴为Ra的外椭圆上，默认不对其进行旋转操作；设第k个椭圆环形微带天线贴片的位置中心的坐标为(Xk,Yk)，则其由以下公式确定：

其中，Rratio为外椭圆的轴比，其值与椭圆环形微带天线贴片对应的椭圆的轴比ratio相同，为第k个椭圆环形微带天线贴片的位置中心在平面坐标系中的方位角；

每个微带天线单元中的M个输入端口分别蚀刻在所述地板上，每个微带天线单元中的M个同轴馈线垂直嵌入所述介质基板中；每个同轴馈线的顶端与对应的椭圆环形微带天线贴片连接，每个同轴馈线的末端与对应的输入端口连接；每个输入端口用于给与其连接的同轴馈线提供激励，并通过同轴馈线将能量传输至对应的椭圆环形微带天线贴片，以产生I个不同方向的涡旋波束；

其中，每个微带天线单元的工作模式为TM_n1，I个涡旋波束模态值的绝对值的最大值为L，K、M、I、L分别为正整数，且K≤2L，1≤M≤n/2，n≥2，I≥2，n表示第一类贝塞尔函数的阶数。

2.根据权利要求1所述的小型化多波束涡旋波束产生装置，其特征在于，每个椭圆环形微带天线贴片的外环长轴长度Lao和内环长轴长度Lai应满足以下关系式：

其中，X_(n-1)1为第n-1阶的贝塞尔函数的第1个解，X_(n+1)1为第n+1阶的贝塞尔函数的第1个解，C为光速，f为天线的工作频率，ε_r为介质基板的相对介电常数。

3.根据权利要求1所述的小型化多波束涡旋波束产生装置，其特征在于，定义每个椭圆环形微带天线贴片的短轴长度与长轴长度的比值为轴比ratio，则该轴比与所产生涡旋波的波束俯仰角θ的关系为：

ratio＝cos(θ)。

4.根据权利要求1所述的小型化多波束涡旋波束产生装置，其特征在于，以第k个椭圆环形微带天线贴片的位置中心为原点，该贴片的水平向右方向为X轴正方向，竖直向上方向为Y轴正方向，建立该贴片对应的直角坐标系；定义第k个椭圆环形微带天线贴片的第m个馈电端口的位置在该贴片对应的直角坐标系中的矢径大小为Lf_km，则Lf_km应满足以下关系：Lai/2＜Lf_km＜Lao×ratio/2；

定义第k个椭圆环形微带天线贴片的第m个馈电端口的位置在该贴片对应的直角坐标系中的方位角为则的取值范围为：

其中，每个馈电端口所需激励的幅度相同；k为正整数，表示椭圆环形微带天线贴片的编号，且1≤k≤K。

5.根据权利要求1所述的小型化多波束涡旋波束产生装置，其特征在于，第k个椭圆环形微带天线贴片所需的激励信号的相位为：

其中，Xk为第k个椭圆环形微带天线贴片的位置中心的横坐标，Rratio为外椭圆的轴比，其值与椭圆环形微带天线贴片对应的椭圆的轴比ratio相同，λ为椭圆环形微带天线贴片中心工作频率的波长，θ为设计的涡旋波束所指方向在球坐标系中的俯仰角，l_i为设计的第i个涡旋波束的模态值，且|l_i|≤L-1，i为设计的涡旋波束的编号，1≤i≤I；Φ_i为第i个涡旋波束对应的坐标变换的中间变量，其计算公式为：

Φ_i＝arg{[(-Xk×sin(φ_i)×cos(θ))+(Yk×cos(φ_i)×cos(θ))]+j[Xk×cos(φ_i)+Yk×sin(θ)]}

其中，Yk为第k个椭圆环形微带天线贴片的位置中心的纵坐标，φ_i为设计的第i个涡旋波束所指方向在球坐标系中的方位角。