CN105322285A - 一种轨道角动量天线 - Google Patents
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Abstract
一种轨道角动量天线，属于无线通信天线技术领域。包括抛物型反射面和螺旋天线馈源，所述螺旋天线馈源最小半径螺旋所对应的中心位于抛物型反射面焦点处，用于对抛物型反射面进行馈电；所述抛物型反射面的半径为3.2λ0，焦距为2.4λ0，所述螺旋天线馈源螺旋最小半径为0.16λ0，最大半径为0.4λ0，匝数为6，匝间距相同为0.13λ0，其中，λ0为工作频段中心频率所对应的空气波长；当螺旋天线馈源采用同轴或微带馈电时，其辐射场经过抛物型反射面的反射即可得到轨道角动量电磁波。本发明轨道角动量天线能产生2阶、-2阶、1阶轨道角动量电磁波，可用于无线通信；且天线的辐射性能好，增益高。
Description
技术领域
本发明属于无线通信天线技术领域，具体涉及一种可提高频谱效率的轨道角动量天线。
背景技术
随着用于信息交换的无线通信技术的迅猛发展，移动终端普及率逐渐上升，移动互联网呈现出爆炸式发展趋势。为满足日益增长的移动数据业务需求，迫切需要更高速、更高效、更智能的新一代无线移动通信技术，进一步提升系统容量以及频谱利用率，而轨道角动量技术作为一种复用技术在无线通信中逐渐成为研究的热点。
复用技术是指允许多路信号综合在同一传输途径上的技术。现有的复用技术主要包括：频分复用(FDM)技术，其促进了无线电报﹑广播﹑模拟集群和电视等第一代无线通信系统，即1G，并被广泛应用于之后的2G、2.5G、3G、4G等蜂窝移动通信网中；2G系统引入了时分复用(TDM；GSM、IS-136、PDC等系统)，其推动了数字通信和GSM移动通信的发展，并引入了促进CDMA移动通信发展的码分复用(CDM)技术；21世纪初，3G网络引入了基于智能天线的空分复用(SDM)，其所具有的高方向性辐射性能使得同一载频能在不同的空间方向上得到重复利用；4G网络加入了正交频分复用(OFDM)、多输入多输出(MIMO)以及认知无线电(CR)等技术，极大提高了频谱利用率，扩展了系统容量。
轨道角动量电磁涡旋复用技术能将载波所携带的轨道角动量模式作为调制参数，利用轨道角动量模式内在的正交性，将多路信号调制到不同的轨道角动量模式上，根据模式数或称拓扑电荷数区分不同的信道。通过这种方式，可在相同载频上得到多个相互独立的轨道角动量信道。轨道角动量在理论上可拥有无穷维阶数，因而可构成无穷维的希尔伯特空间，理论上同一载波频率利用轨道角动量电磁涡旋复用可获得无穷的传输能力。这为人们在使用频谱上提供了一个新的自由度，轨道角动量被认为是下一代移动通信(5G)系统可能采用的传输技术之一。
发明内容
本发明提出了一种轨道角动量天线，采用螺旋类天线作为馈源对抛物面类天线进行馈电，使得电场的积分路径与天线的曲线重合，辐射场在与方向上都有相位延迟，从而得到轨道角动量电磁波。本发明轨道角动量天线能产生2阶、-2阶、1阶轨道角动量电磁波，可用于无线通信；且天线的辐射性能好，增益高。
本发明的技术方案如下：
一种轨道角动量天线，包括抛物型反射面和螺旋天线馈源，所述螺旋天线馈源最小半径螺旋所对应的中心位于抛物型反射面焦点处，用于对抛物型反射面进行馈电；所述抛物型反射面的半径为3.2λ0，焦距为2.4λ0，所述螺旋天线馈源螺旋最小半径为0.16λ0，最大半径为0.4λ0，匝数为6，匝间距相同为0.13λ0，其中，λ0为工作频段中心频率所对应的空气波长；当螺旋天线馈源采用同轴或微带馈电时，其辐射场经过抛物型反射面的反射即可得到轨道角动量电磁波。
进一步地，所述抛物型反射面为标准的旋转抛物面或切割抛物面，所述切割抛物面由半径为3.2λ0、焦距为2.4λ0的旋转抛物面与半径为1.6λ0的圆柱面以轴线平行方式相交得到，螺旋天线馈源正对切割抛物面。
进一步地，所述螺旋天线馈源为带地板的单极圆锥螺旋或不带地板的双绕螺旋天线，所述螺旋天线馈源的螺旋半径在远离抛物型反射面的方向上递增。
进一步地，所述螺旋天线馈源为带地板的平面螺旋。
本发明的有益效果为：本发明轨道角动量天线中选择螺旋类天线作为馈源对抛物面类天线进行馈电，使得电场积分路径与天线的曲线重合，辐射场在与方向上产生相位延迟，得到的相位因子，其中l为轨道角动量阶数，从而得到具有轨道角动量特性的电磁波。本发明轨道角动量天线能产生2阶、-2阶、1阶轨道角动量电磁波，可用于无线通信；天线的辐射性能好，增益高，后向辐射弱；天线易于制造，无需特殊衬底材料及加工工艺，成本低廉；天线结构简单，易实现阻抗匹配且便于调试。
附图说明
图1为实施例1提供的轨道角动量天线的示意图；
图2为实施例2提供的轨道角动量天线的示意图；
图3为实施例3提供的轨道角动量天线的示意图；
图4为实施例4提供的轨道角动量天线的示意图；
图5为实施例5提供的轨道角动量天线的示意图；
图6为实施例1轨道角动量天线中平行于焦平面且与焦平面距离100波长的平面上辐射电场r分量的相位分布图；
图7为实施例1轨道角动量天线中平行于焦平面且与焦平面距离100波长的平面上辐射电场φ分量的相位分布图；
图8为实施例2轨道角动量天线中平行于焦平面且与焦平面距离100波长的平面上辐射电场r分量的相位分布图；
图9为实施例2轨道角动量天线中平行于焦平面且与焦平面距离100波长的平面上辐射电场φ分量的相位分布图；
图10为实施例3轨道角动量天线中平行于焦平面且与焦平面距离100波长的平面上辐射电场r分量的相位分布图；
图11为实施例3轨道角动量天线中平行于焦平面且与焦平面距离100波长的平面上辐射电场φ分量的相位分布图；
图12为实施例4轨道角动量天线中平行于焦平面且与焦平面距离100波长的平面上辐射电场r分量的相位分布图；
图13为实施例4轨道角动量天线中平行于焦平面且与焦平面距离100波长的平面上辐射电场φ分量的相位分布图；
图14为实施例5轨道角动量天线中平行于焦平面且与焦平面距离100波长的平面上辐射电场r分量的相位分布图；
图15为实施例5轨道角动量天线中平行于焦平面且与焦平面距离100波长的平面上辐射电场φ分量的相位分布图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
如图1所示，为本发明提供的一种轨道角动量天线结构，包括一个旋转抛物面和一个带地板的螺旋天线馈源，所述地板位于螺旋天线馈源远离旋转抛物面的一面；所述螺旋天线馈源最小半径螺旋所对应的中心位于旋转抛物面的焦点处，用于对旋转抛物面进行馈电，所述螺旋天线馈源的螺旋半径在远离旋转抛物面的方向上递增；所述螺旋天线馈源为右旋圆锥形螺旋天线，螺旋最小半径为0.16λ0，最大半径为0.4λ0，匝数为6，匝间距相同为0.13λ0；所述旋转抛物面的半径为3.2λ0，焦距为2.4λ0，其中，λ0为工作频段中心频率所对应的空气波长；当螺旋天线馈源采用同轴或微带馈电时，其辐射场经过旋转抛物面的反射可得到2阶的轨道角动量电磁波。
如图2所示，为本发明提供的一种轨道角动量天线结构，包括一个旋转抛物面和一个带地板的螺旋天线馈源，所述地板位于螺旋天线馈源远离旋转抛物面的一面；所述螺旋天线馈源最小半径螺旋所对应的中心位于旋转抛物面的焦点处，用于对旋转抛物面进行馈电，所述螺旋天线馈源的螺旋半径在远离旋转抛物面的方向上递增；所述螺旋天线馈源为左旋圆锥形螺旋天线，螺旋最小半径为0.16λ0，最大半径为0.4λ0，匝数为6，匝间距相同为0.13λ0；所述旋转抛物面的半径为3.2λ0，焦距为2.4λ0，其中，λ0为工作频段中心频率所对应的空气波长；当螺旋天线馈源采用同轴或微带馈电时，其辐射场经过旋转抛物面的反射可得到-2阶的轨道角动量电磁波。
如图3所示，为本发明提供的一种轨道角动量天线结构，包括一个旋转抛物面和一个带地板的螺旋天线馈源，所述地板位于螺旋天线馈源远离旋转抛物面的一面；所述螺旋天线馈源为右旋平面螺旋天线，螺旋最小半径为0.16λ0，最大半径为0.4λ0，匝数为6，其中心位于旋转抛物面焦点处；所述旋转抛物面的半径为3.2λ0，焦距为2.4λ0，其中，λ0为工作频段中心频率所对应的空气波长；当螺旋天线馈源采用同轴或微带馈电时，其辐射场经过旋转抛物面的反射可得到1阶的轨道角动量电磁波。
如图4所示，为本发明提供的一种轨道角动量天线结构，包括一个旋转抛物面和一个螺旋天线馈源；所述螺旋天线馈源最小半径螺旋所对应的中心位于旋转抛物面的焦点处，用于对旋转抛物面进行馈电，所述螺旋天线馈源的螺旋半径在远离旋转抛物面的方向上递增；所述螺旋天线馈源为双绕螺旋天线，双绕螺旋天线为右旋圆锥形，其中一螺旋线通过另一螺旋线绕z轴旋转180°得到，其两根螺旋线结构相同，匝数皆为6，匝间距相同为0.13λ0，螺旋最小半径为0.16λ0，最大半径为0.4λ0；所述旋转抛物面的半径为3.2λ0，焦距为2.4λ0，其中，λ0为工作频段中心频率所对应的空气波长；当螺旋天线馈源采用同轴或微带馈电时，其辐射场经过旋转抛物面的反射可得到1阶的轨道角动量电磁波。
如图5所示，为本发明提供的一种轨道角动量天线结构，包括一个切割抛物面和一个带地板的螺旋天线馈源，所述地板位于螺旋天线馈源远离切割抛物面的一面；所述螺旋天线馈源最小半径螺旋所对应的中心位于切割抛物面的焦点处，用于对其进行馈电，所述螺旋天线馈源的螺旋半径在远离抛物面的方向上递增；所述螺旋天线馈源为右旋圆锥形螺旋天线，螺旋最小半径为0.16λ0，最大半径为0.4λ0，匝数为6，匝间距相同为0.13λ0；所述切割抛物面由半径为3.2λ0、焦距为2.4λ0的旋转抛物面与半径为1.6λ0的圆柱面以轴线平行方式相交得到，螺旋天线馈源正对切割抛物面，其中，λ0为工作频段中心频率所对应的空气波长；当螺旋天线馈源采用同轴或微带馈电时，其辐射场经过旋转抛物面的反射可得到2阶的轨道角动量电磁波。
实施例1
如图1所示的一种轨道角动量天线结构，其可工作于2.4GHz，通过金属结构边界与场型的匹配、结合馈源和反射面间光程的修正调整，最终在垂直于抛物面轴线的平面内可实现电磁波exp(-j2φ)的相位变化，绕涡旋中心旋转一周，相位改变2π。该天线结构中，旋转抛物面的半径为40cm，焦距为30cm，所述螺旋天线馈源为带地板的右旋圆锥形螺旋天线，螺旋最小半径为2cm，最大半径为5cm，匝数为6，匝间距相同为5/3cm，地板的半径为6cm；当螺旋天线馈源采用同轴或微带馈电时，其辐射场经过旋转抛物面的反射可得到2阶的轨道角动量电磁波。
实施例2
如图2所示的一种轨道角动量天线结构，其可工作于2.4GHz，通过金属结构边界与场型的匹配、结合馈源和反射面间光程的修正调整，最终在垂直于抛物面轴线的平面内可实现电磁波exp(j2φ)的相位变化，绕涡旋中心旋转一周，相位改变2π。该天线结构中，旋转抛物面的半径为40cm，焦距为30cm，所述螺旋天线馈源为带地板的左旋圆锥形螺旋天线，螺旋最小半径为2cm，最大半径为5cm，匝数为6，匝间距相同为5/3cm，地板的半径为6cm；当螺旋天线馈源采用同轴或微带馈电时，其辐射场经过旋转抛物面的反射可得到-2阶的轨道角动量电磁波。
实施例3
如图3所示的一种轨道角动量天线结构，其可工作于2.4GHz，通过金属结构边界与场型的匹配、结合馈源和反射面间光程的修正调整，最终在垂直于抛物面轴线的平面内可实现电磁波exp(-jφ)的相位变化，绕涡旋中心旋转一周，相位改变π。该天线结构中，旋转抛物面的半径为40cm，焦距为30cm，所述螺旋天线馈源为带地板的右旋平面螺旋天线，螺旋最小半径为2cm，最大半径为5cm，匝数为6，地板的半径为6cm；当螺旋天线馈源采用同轴或微带馈电时，其辐射场经过旋转抛物面的反射可得到1阶的轨道角动量电磁波。
实施例4
如图4所示的一种轨道角动量天线结构，其可工作于2.4GHz，通过金属结构边界与场型的匹配、结合馈源和反射面间光程的修正调整，最终在垂直于抛物面轴线的平面内可实现电磁波exp(-jφ)的相位变化，绕涡旋中心旋转一周，相位改变π。该天线结构中，旋转抛物面的半径为40cm，焦距为30cm，所述螺旋天线馈源为双绕螺旋天线，双绕螺旋天线为右旋圆锥形，其中一螺旋线通过另一螺旋线绕z轴旋转180°得到，两根螺旋线结构相同，匝数皆为6，匝间距相同为5/3cm，螺旋最小半径为2cm，最大半径为5cm；当螺旋天线馈源采用同轴或微带馈电时，其辐射场经过旋转抛物面的反射可得到1阶的轨道角动量电磁波。
实施例5
如图5所示的一种轨道角动量天线结构，其可工作于2.4GHz，通过金属结构边界与场型的匹配、结合馈源和反射面间光程的修正调整，最终在垂直于抛物面轴线的平面内可实现电磁波exp(-j2φ)的相位变化，绕涡旋中心旋转一周，相位改变2π。该天线结构中，切割抛物面由半径为40cm、焦距为30cm的旋转抛物面与半径为20的圆柱面以轴线平行方式相交得到，螺旋天线馈源正对切割抛物面；所述螺旋天线馈源为带地板的右旋圆锥形螺旋天线，螺旋最小半径为2cm，最大半径为5cm，匝数为6，匝间距相同为5/3cm，地板的半径为6cm；当螺旋天线馈源采用同轴或微带馈电时，其辐射场经过切割抛物面的反射可得到2阶的轨道角动量电磁波。
本发明轨道角动量天线系统运用了电磁场具有轨道角动量这一新概念，对螺旋天线采用同轴馈电。实施例1的天线可产生轨道角动量为2阶的电磁波，可探测得到在垂直于天线轴线的平面上，逆时针旋转一周电场的相位改变2π；实施例2的天线可产生轨道角动量为-2阶的电磁波，可探测得到在垂直于天线轴线的平面上，顺时针旋转一周电场的相位改变2π；实施例3和实施例4的天线可产生轨道角动量为1阶的电磁波，可探测得到在垂直于天线轴线的平面上，逆时针旋转一周电场的相位改变π；实施例5的天线同样能够产生轨道角动量为2阶的电磁波，可探测得到在垂直于天线轴线的平面上，逆时针旋转一周电场的相位改变2π。
Claims (5)
1.一种轨道角动量天线，包括抛物型反射面和螺旋天线馈源，所述螺旋天线馈源最小半径螺旋所对应的中心位于抛物型反射面焦点处，用于对抛物型反射面进行馈电；所述抛物型反射面的半径为3.2λ0，焦距为2.4λ0，所述螺旋天线馈源螺旋最小半径为0.16λ0，最大半径为0.4λ0，匝数为6，匝间距相同为0.13λ0，其中，λ0为工作频段中心频率所对应的空气波长；当螺旋天线馈源采用同轴或微带馈电时，其辐射场经过抛物型反射面的反射即可得到轨道角动量电磁波。
2.根据权利要求1所述的轨道角动量天线，其特征在于，所述抛物型反射面为标准的旋转抛物面或切割抛物面。
3.根据权利要求2所述的轨道角动量天线，其特征在于，所述切割抛物面由半径为3.2λ0、焦距为2.4λ0的旋转抛物面与半径为1.6λ0的圆柱面以轴线平行方式相交得到。
4.根据权利要求1所述的轨道角动量天线，其特征在于，所述螺旋天线馈源为带地板的单极圆锥螺旋或不带地板的双绕螺旋天线，所述螺旋天线馈源的螺旋半径在远离抛物型反射面的方向上递增。
5.根据权利要求1所述的轨道角动量天线，其特征在于，所述螺旋天线馈源为带地板的平面螺旋。
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