CN103474777A - 基于金属环形腔的产生射频oam的环形行波天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于金属环型腔可产生射频轨道角动量波束的环形行波天线。主体结构为顶面沿着圆周开一缝隙的金属环形腔，金属环形腔相距1/4圆周处开两个口接金属波导作为天线的双源激励端口，当这两个激励端口中输入同频率，相位相差±90°的微波源，金属环形腔中的电磁场成绕圆周顺时针或者逆时针传播的行波分布。金属环形腔顶面的缝隙则构成一种环形行波天线。合理设计金属环型腔的尺寸和开缝位置，可实现微波导波模式与OAM模式的转换，在空间中形成不同l阶数射频OAM波束的发射。本发明设计利用常规的金属波导实现平面射频波导结构的OAM波束发射，对于方兴未艾的射频高速OAM通信具有非常重要的意义。

Description

基于金属环形腔的产生射频OAM的环形行波天线
技术领域
本发明属于OAM无线通信技术领域，涉及一种基于金属环形腔的产生射频OAM的环形行波天线。
背景技术
随着全球进入移动互联网时代，移动通信业务的频谱缺口日益严重。由于低频段的优质频谱资源十分有限，仅通过划分新频谱难以满足移动通信的新需求。在这种情况下，发展新技术以提高比特/赫兹的使用效率显得尤为重要。目前，人们在基于电磁波的频谱、相位、振幅等维度以扩大信息容量资源方面进行了大量的研究，如提高频谱利用率新型智能无线通信技术——认知无线电；提高单个载波的频谱效率的信号的高阶相干调制，使频谱效率比串行系统提高近一倍的多载波技术，以及既可增加频谱效率又成倍增加信道容量的MIMO通信技术等等。显然基于频谱、相位、振幅这些维度的容量资源已经得到较为充分的开发和利用。虽然在这些维度的渐进式扩容还可以继续进行，但是要实现几个数量级的大幅度扩容，已经没有足够空间。因此，寻找新的物理参数维度实现电磁波通信技术，在有限频谱资源内满足通信容量呈数量级增长的需求，是一个重大科学和技术挑战。轨道角动量（OAM）无线通信就是在这个契机应运而生。
电磁波不仅具有能量，而且还有轨道角动量，轨道角动量是电磁波的基本物理属性，反映电磁波围绕传播方向轴的方位角方向的相位变化参数。对于任意频率的电磁波，全部OAM波束构成一组相互正交的、数目无限多的本征模式。OAM通信就是利用OAM模式这一组电磁波本征模式的阶数（取值l），作为新的可供调制或复用的参数维度资源，即利用不同l值代表不同编码状态或不同信息通道，从而开辟进一步提高频谱效率的新途径。由于l值具有无限取值范围，理论上OAM通信可能具有无限增加电磁波承载信息量的潜力。
目前利用射频OAM这一参数维度应用于无线通信领域尚处于起步阶段，大多数研究侧重于理论分析，开发和研制不同阶数射频OAM波束的产生、复用及相关器件是验证OAM波自由空间信道特性，实现射频OAM无线通信系统的基础。迄今为止，大多数OAM波束产生方法均来自于2007年Thide等设计的圆环阵列天线思路，但是该方法产生的OAM波束的阶数受到圆环阵列天线数量的限制。假设圆环阵列天线的个数为N，其所产生的OAM波束阶数l必须小于N/2，且该方法不利于OAM波束的复用。因此，一种简单易行的、利用成熟的波导技术实现射频导波模式向射频OAM模式的转换器件，对于加快和促进未来的射频OAM高速通信具有非常实用的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可产生射频OAM波束的基于金属环形腔的环形行波天线及基于此天线结构的射频OAM波束复用器件。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明实现一种基于金属环形腔的可产生射频轨道角动量（OAM）波束的环形行波天线。其主体结构为一个顶面沿着圆周开缝的金属环形腔。金属环形腔可看成由矩形波导弯折而成，工作在TE10模式，其侧面高度为矩形波导的宽边a，顶面宽度为矩形波导的窄边b，开缝处设在窄边的中间，环形腔的周长为矩形波导的纵向长度，金属环型腔沿圆周的传播常数
Figure BDA0000385302160000021
相当于矩形波导的纵向传播常数kz。在金属环型腔侧面相距1/4圆周处开两个口接金属波导作为双源激励端口，当这两个激励端口中输入同频率，相位相差±90°的微波源，金属环形腔中的电磁场成绕圆周顺时针或者逆时针传播的行波分布，金属腔顶面开缝处构成一种环形行波天线，向空间辐射电磁波。合理设计金属环型腔的尺寸，使得金属环型腔沿圆周的传播常数满足
Figure BDA0000385302160000023
R为开缝圆环半径，则可实现微波导波模式向OAM模式的转换，在空间中形成阶数为±l的OAM波束的发射。l的正负符号取决于双源激励端口的相位差是+90°还是-90°。
在本发明提供的基于金属环形腔可发射射频OAM波束的环形行波天线基础上，可以进一步设计射频OAM波束的复用器件。对这种基于金属环形腔的环形行波天线，要在空间中要形成阶数为l的OAM波束的发射，金属环型腔沿圆周的传播常数
Figure BDA0000385302160000024
必须满足
Figure BDA0000385302160000025
R为开缝圆环半径。金属环型腔沿圆周的传播常数
Figure BDA0000385302160000031
（矩形波导的纵向传播常数kz），工作在TE10模式时，a为矩形波导的宽边。可见，OAM波束的阶数l与矩形波导的宽边以及开缝半径均有关系，合理设计矩形波导的宽边或者开缝半径，可以实现不同阶数OAM波束的发射。把多个发射不同阶数OAM波束的金属环型腔结构相集成，就可以在空间中形成多个不同阶数OAM波束的发射，实现射频OAM波束的复用。
本发明与背景技术相比具有的有益效果是：
本发明针对具有巨大潜力的OAM无线通信系统，提出了一种简单可行的可产生射频OAM波束的基于金属环形腔的环形行波天线结构，并在此基础上提供了一种射频OAM波束复用器件。该发明对于构建OAM无线通信系统，加快OAM无线通信的实用化，具有非常重要的意义。与背景技术中常用的圆环阵列天线实现OAM波束产生方法相比，本发明不受限于阵列天线个数，可实现任意阶数射频OAM波束的产生。而且，本发明中采用2端口同频，相位相差90°的激励，在金属环型腔开缝处很容易使得相位满足
Figure BDA0000385302160000033
的分布，构成可发射OAM波束的环形行波天线，避免了利用圆环阵列天线产生OAM方法中需要对每个阵列单元的相位进行精确控制。另外，基于此结构，很容易实现天线的集成，在空间中形成多个不同阶数射频OAM波束的发射，从而实现OAM波束的复用。
附图说明
图1是环形行波天线结构示意图；
图2是本发明基于金属环形腔的环形行波天线结构图；
图3是本发明环形行波天线两激励端口中输入同频相位相差90度时腔内的电场呈行波分布；
图4是本发明的环形行波天线在空间辐射的电场相位分布图；
图5是基于本发明环形行波天线的集成结构实现的射频OAM波束复用器件图；
图6结构紧凑的基于底馈环形行波天线结构实现的射频OAM波束复用器
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详述：
1.基于环形行波天线的射频OAM波束的产生机理
任何一种天线，不管是电型源天线还是磁型源天线，只要它的空间分布呈圆环形，圆环绕Z轴对称，圆环上各点激励源幅度一致，相位沿圆环圆周各点连续变化，满足的分布，其中
Figure BDA0000385302160000042
是圆周角，l为整数，可为正，亦可为负，如图1所示，这种天线称为环形行波天线。经过电磁数值计算，这类环形行波天线在空间中的辐射可产生具有螺旋相位
Figure BDA0000385302160000043
的l阶OAM波束。
2.基于金属环形腔的环形行波天线产生射频OAM波束的验证
图2给出了本发明的基于金属环形腔可产生射频OAM波束的的环形行波天线结构图。天线主体结构为一个顶面开一圆环缝隙1的金属环形腔2，金属环型腔可看成由矩形波导弯折而成，工作在TE10模式，其侧面高度为矩形波导的宽边a，顶面宽度为矩形波导的窄边b，开缝处设在窄边的中间，环形腔的周长为矩形波导的纵向长度，金属环型腔沿圆周的传播常数
Figure BDA0000385302160000044
相当于矩形波导的纵向传播常数kz，
Figure BDA0000385302160000045
在金属环型腔侧面相距1/4圆周处开两个口3、4接金属波导作为双源激励端口，当这两个激励端口中输入同频率，相位相差±90°的微波源，金属环形腔中的电磁场成绕圆周顺时针或者逆时针传播的行波分布。图3是采用电磁仿真软件CST得到的金属环型腔中的电场分布，本发明中选择l=3，射频频率为10GHz，矩形波导宽边a=23mm,窄边b=10mm，圆环内径d1=13.9mm，外径d2=23.9mm。此时顶面开缝圆环处会向空间辐射电磁波，构成一种磁型源的环形行波天线。图4是电磁仿真软件CST中得到的环形行波天线在空间辐射的电场相位分布图。开缝圆环中心半径R=18.9mm，满足
Figure BDA0000385302160000046
缝宽1mm，。由图4可见，电场相位围绕传播方向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=6π，此结论证明这种基于金属环形腔的环形行波天线产生l=3的射频OAM波束。
3.基于本发明环形行波天线的集成结构构成的射频OAM波束复用
在本发明基于金属环形腔的环形行波天线中，OAM波束的阶数l与金属环形腔的侧壁高度及开缝半径均有关系，合理设计这些尺寸，使之满足可以实现不同阶数OAM波束的发射。把多个发射不同阶数OAM波束的金属环型腔结构层叠起来，如图5所示，就可以在空间中形成多个不同阶数OAM波束的发射，实现射频OAM波束的复用。图5仅显示了两个不同l阶数OAM波束的复用，实际上通过多个基于金属环形腔的环形行波天线的层叠可以实现多个OAM波束的复用。如果把侧面馈电换成底面馈电5，则还可以实现结构更为紧凑的OAM波束复用器，即把多个不同半径的基于金属环形腔的环形行波天线如套筒一样，装配在一起，如图6所示。

Claims (3)

1. 基于金属环形腔的产生射频OAM的环形行波天线，其特征在于：包括一个顶面沿着圆周开缝的金属环形腔，金属环形腔由矩形波导弯折而成，工作在TE10模式；其侧面高度为矩形波导的宽边a，顶面宽度为矩形波导的窄边b，开缝处设在窄边的中间位置，金属环形腔的周长为矩形波导的纵向长度，金属环形腔沿圆周的传播常数k j 相当于矩形波导的纵向传播常数k z ；在金属环形腔侧面相距1/4圆周处开有两个口接金属波导作为双源激励端口，当这两个激励端口中输入同频率，相位相差±90°的微波源，金属环形腔中的电磁场成绕圆周顺时针或者逆时针传播的行波分布，开缝处向空间辐射电磁波，构成一种环形行波天线；
调整金属环形腔的尺寸，使得金属环形腔沿圆周的传播常数k j 满足k j R=l, R为开缝圆环半径，l 为整数，此时的金属环形腔可实现微波导波模式与OAM模式的转换，在空间中形成阶数为±l的OAM波束的发射，l的正负符号取决于双源激励端口的相位差是+90°还是-90°。
2.基于环形行波天线的集成结构构成的OAM波束复用器件，其特征在于：包括多个如权利要求1所述的环形行波天线，多个环形行波天线为层叠同轴设置，实现不同阶数OAM波束的发射。
3.基于环形行波天线的集成结构构成的OAM波束复用器件，其特征在于：包括多个如权利要求1所述的环形行波天线，多个环形行波天线为嵌套同轴设置，每个环形行波天线侧面两个开口调整至底面，实现不同阶数OAM波束的发射。
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