【摘 要】
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通信天线作为空间在轨服务航天器与地面基站之间的无线电联络载体,是航天系统的重要组成部分。利用轨道角动量具有正交的特性,可以缓解航天器天线频谱资源紧张的问题。本论文根据轨道角动量的特性,针对现阶段轨道角动量天线存在的相对带宽较窄、较宽的频带内模态纯度低等问题,设计了两种平面结构的涡旋天线,主要研究内容如下:首先,基于特征模理论,分析、研究、设计了两个不同尺寸环形辐射贴片。给出了不同尺寸下对应的本征值
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通信天线作为空间在轨服务航天器与地面基站之间的无线电联络载体,是航天系统的重要组成部分。利用轨道角动量具有正交的特性,可以缓解航天器天线频谱资源紧张的问题。本论文根据轨道角动量的特性,针对现阶段轨道角动量天线存在的相对带宽较窄、较宽的频带内模态纯度低等问题,设计了两种平面结构的涡旋天线,主要研究内容如下:首先,基于特征模理论,分析、研究、设计了两个不同尺寸环形辐射贴片。给出了不同尺寸下对应的本征值和模式权重曲线,通过曲线分析得到工作在4-6.5 GHz频率时的两对简并模式,基于其电场强弱的分布,得到在电场最强的位置对环形天线进行馈电的设想。将相同的天线结构在HFSS中进行建模仿真,验证了能够产生携带OAM模态为2和3的两种涡旋波束。接着对同心环形天线进行了实物加工和暗室测试,得到的S11参数以及近场相位测量结果与仿真相近,证明了该环形天线可以在宽频带内产生涡旋电磁波。其次,当八边形贴片天线两种模式的模式权重与特征角曲线完全重合时,利用特征模补偿的方式,将其天线结构改变为“马蹄形”,实现了它在单馈电时OAM波束的产生。OAM阵列天线的单元数量N与产生模态l之间遵循|lOAM|＜N/2的准则,接着将携带模态值等于-1的“马蹄形”贴片作为2×2 OAM阵列天线的阵元,在与传输线网络相位的线性叠加后,实现了当阵列单元数量为4时涡旋波束等于2的效果,打破了阵元数与OAM模态值之间的限制。后续完成了“马蹄形”OAM阵列天线的加工和实验,所得测量结果与仿真结果近似一致,验证了该天线结构产生OAM波束的可行性。最后,通过傅里叶变换理论对以上产生的电磁波进行涡旋波束的纯度检测,绘制成OAM谱图。仿真数据以及实际测量结果表明,主模态的OAM波束纯度检测分别可以达到88%和77%左右,两种类型的OAM天线实现了主模态高纯度的目标。
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