CN105356065B - 基于环形行波天线的产生径向传播射频oam波束的天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于环形行波天线的产生径向传播射频OAM波束的天线。本发明整体结构为一个侧面开一圆环缝隙的金属环形腔，金属环形腔由矩形波导弯折而成，金属环形腔的宽度为矩形波导的宽边，侧面高度为矩形波导的窄边，开缝处设在窄边正中间，金属环形腔的周长为矩形波导的纵向长度，金属环形腔的侧壁设置有环形喇叭，环形喇叭由上下对称的两部分组合而成，且组合时环形喇叭的喇叭底端留有缝线，且该缝隙与环形金属腔窄边正中间的圆环缝隙位置对应。本发明结合矩形波导谐振腔和环形行波天线结构，设计了一种能产生能产生径向传输的射频轨道角动量波束的天线结构。本发明能够提高直射信道的信道容量，增长传输距离，从而提高通信系统的传输效率。

Description

基于环形行波天线的产生径向传播射频OAM波束的天线

技术领域

本发明属于OAM无线通信领域，涉及一种基于环形行波天线的产生径向传播射频OAM波束的天线。

背景技术

移动互联网的普及，使得无线通信频谱资源极度紧张，出现大量缺口。移动通信系统的大容量要求和频谱资源受限的矛盾日益凸显。电磁波的频谱资源非常有限，仅通过划分新频谱已经难以满足无线通信的新需求，而基于频谱、相位、振幅这些电磁波常规参数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。现有通信技术由信道带宽和噪声特性决定的容量资源极限已经明确表明，其扩容潜力已经不大，并很快被消耗。因此，寻找一种新的物理参数维度实现电磁波高速通信，在有限频谱资源内满足无线通信容量呈数量级增长的需求，是一个巨大的挑战。携带有轨道角动量(OAM)的涡旋电磁波通信在这个契机中应运而生。

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值代表不同的信息通道，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，对于轨道角动量的研究分别集中在光频和射频波段。光频轨道角动量波束的产生方法主要有全息图形，螺旋相位板等，射频轨道角动量波束的产生方法主要有螺旋相位板，赋型抛物面天线，阵列天线等。这两种轨道角动量波束都有各自的不足之处。由于光波的波长小，光频轨道角动量波束的相位容易受到散射和大气湍流影响，使得波束发生畸变。射频轨道角动量波束直径随着传播距离的增加而显著变大，波束中心有一个相位奇点，这会造成接收端接收困难。这两种情况均不利于轨道角动量波束的复用和远距离传播。因此，寻找一种结构简单、便于复用、无波束发散问题的射频OAM波束产生方法对于未来的射频OAM高速通信具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于环形行波天线的产生径向传播OAM波束的天线。

本发明解决技术问题所采取技术方案为：

本发明天线结构为一个侧面开一圆环缝隙的金属环形腔，金属环形腔可看成由矩形波导弯折而成，工作在TE₁₀模式，金属环形腔的宽度为矩形波导的宽边a，侧面高度为矩形波导的窄边b，开缝处设在窄边正中间，金属环形腔的周长为矩形波导的纵向长度，金属环形腔的侧壁设置有环形喇叭，环形喇叭由上下对称的两部分组合而成，且组合时环形喇叭的喇叭底端留有缝线，且该缝隙与环形金属腔窄边正中间的圆环缝隙位置对应。

所述的金属环形腔沿圆周的传播常数相当于矩形波导的纵向传播常数k_z，其中k为波数；在金属环形腔一侧顶面角度相差γ/2π圆周处开两个通孔，用于连接90°电桥的两个探针，从而作为双源激励端口。当两个激励端口中输入同频率，且相位相差±90°的微波源时，金属环形腔中的电磁场成绕圆周顺时针或逆时针传播的行波分布；若要产生阶数为l的OAM波束，则两个探针之间的角度γ＝((2m+1)π)/2l，m取值为0至l-1之间的任意整数；环形金属腔的周长为

所述的基于环形行波天线的射频OAM天线，能产生径向辐射的OAM波束，金属环形腔的缝隙处会向空间辐射电磁波，构成一种磁型源的环形行波天线，环形喇叭确保由射频OAM天线向空间辐射的电磁波是沿径向向四周传播的，电磁波的z向电场分量远大于其余分量。

所述的径向辐射OAM波束要在空间中形成阶数为l的OAM波束的发射，金属环形腔的传播常数满足R为开缝圆环半径，金属环形腔沿圆周的传播常数

所述的径向辐射OAM波束的复用可由阶数不同、能产生径向辐射OAM波束的射频OAM天线按一定的规律摆放成为天线阵，能够实现不同阶数OAM波束的发射和复用。

由于按照本发明设计的OAM天线产生的是径向辐射的OAM波束，波束在一个平面上向四周辐射，复用时利用的是不同阶数OAM波束间的差异性，而不是正交性。由本发明的射频OAM天线组成的OAM波束复用系统具有不同态之间的链路估计基本一致的特点。

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，基于环形行波天线提出了一种简单可行的可产生径向传播的射频OAM波束的金属环形腔天线结构，并在此基础上提供了一种射频OAM波束的复用方案。该发明对于建构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纵向传输的OAM波束产生方法相比，本发明产生的OAM波束沿径向传输，复用时利用的是不同阶数OAM波的差异性，解复用时没有波束发散口径过大和中心相位奇点问题。而且，不同于传统的圆环阵列产生OAM波束的方法，本发明产生的OAM波束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。另外，基于此结构，很容易实现天线的集成或阵列复用，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是柱坐标空间中OAM模式波矢量和环形行波天线的射频OAM波束的产生机理；

图2是本发明基于金属环形腔的环形行波天线外部结构图；

图3是本发明基于金属环形腔的环形行波天线剖面结构图；

图4是本发明的环形行波天线在空间辐射的径向电场相位分布图；

图5是本发明的环形行波天线在空间辐射的远场随θ变化时的方向图；

图6是本发明的环形行波天线在空间辐射时沿一圆周的相位分布；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详述：

如图1-6所示，基于环形行波天线的产生径向传播射频OAM波束的天线，其工作原理如下：电磁波的传播方式不同导致动量(波矢量k)的取向不同，如图1所示，在以传播方向(z轴)为中心轴的柱坐标系中，波束横截面(x-y平面)任意一处波矢量k在三个方向上的投影形成了一个变量空间。电磁波传播空间边界条件决定了的不同组合，即定义了电磁波的本征模式。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周环形，圆周绕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，满足分布,其中是圆周角，l为整数，可正可负，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的l阶OAM波束。

如图2和图3所示，基于环形行波天线的产生径向传播射频OAM波束的天线，其主体结构为一个侧面开一圆环缝隙1的金属环形腔2，金属环形腔可看成由矩形波导弯折而成，工作在TE₁₀模式，金属环形腔的宽度为矩形波导的宽边a，侧面高度为矩形波导的窄边b，开缝处设在窄边正中间，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相当于矩形波导的纵向传播常数k_z，其中k为波数；在金属环形腔一侧顶面相距γ/2π圆周处开两个通孔3、4，用于连接90°电桥的两个探针，从而作为双源激励端口。当这两个激励端口中输入同频率，且相位相差±90°的微波源时，金属环形腔中的电磁场成绕圆周顺时针或逆时针传播的行波分布。若要产生阶数为l的OAM波束，则γ＝((2m+1)π)/2l，m可取0至l-1之间的任意整数；环形金属腔的周长为金属环形腔的侧壁设置有环形喇叭5，环形喇叭5由上下对称的两部分组合而成，且组合时环形喇叭5的喇叭底端留有缝隙，且该缝隙与环形金属腔窄边正中间的圆环缝隙1位置对应；此时侧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。从而确保由天线向空间辐射的电磁波是沿径向向四周传播的，电磁波的z向电场分量远大于其余分量。

基于环形行波天线的产生径向传播OAM波束的天线，要在空间中形成阶数为l的OAM波束的发射，金属环形腔的传播常数满足R为开缝圆环半径。金属环形腔沿圆周的传播常数(矩形波导的纵向传播常数k_z)。

实施例：

在本发明中选择l＝3，射频频率为10GHz，矩形波导宽边a＝23mm，窄边b＝10mm，金属腔周长C＝118.7mm。此时侧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，可见电场相位围绕传播方向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，如图6所示，这说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。图5是本发明的环形行波天线在空间辐射的远场方向图，可见由天线向空间辐射的电磁波在径向θ＝π/2处的场强是最大的，证明了这种基于金属环形腔的环形行波天线产生的OAM波束是沿径向传输的。

Claims (8)

1.基于环形行波天线的产生径向传播射频OAM波束的天线，其特征在于射频OAM天线的整体结构为一个侧面开一圆环缝隙的金属环形腔，金属环形腔由矩形波导弯折而成，工作在TE₁₀模式，金属环形腔的宽度为矩形波导的宽边a，侧面高度为矩形波导的窄边b，开缝处设在窄边正中间，金属环形腔的周长为矩形波导的纵向长度，金属环形腔的侧壁设置有环形喇叭，环形喇叭由上下对称的两部分组合而成，且组合时环形喇叭的喇叭底端留有缝线，且该缝隙与环形金属腔窄边正中间的圆环缝隙位置对应。

2.如权利要求1所述的基于环形行波天线的产生径向传播射频OAM波束的天线，其特征在于金属环形腔沿圆周的传播常数相当于矩形波导的纵向传播常数k_z，其中k为波数；在金属环形腔一侧顶面角度相差γ/2π圆周处开两个通孔，用于连接90°电桥的两个探针，从而作为双源激励端口。

3.如权利要求2所述的基于环形行波天线的产生径向传播射频OAM波束的天线，其特征在于当两个激励端口中输入同频率，且相位相差±90°的微波源时，金属环形腔中的电磁场成绕圆周顺时针或逆时针传播的行波分布；若要产生阶数为l的OAM波束，则γ＝((2m+1)π)/2l，m取值为0至l-1之间的所有整数；环形金属腔的周长为

4.如权利要求3所述的基于环形行波天线的产生径向传播射频OAM波束的天线，其特征在于金属环形腔的圆环缝隙处会向空间辐射电磁波，构成一种磁型源的环形行波天线，环形喇叭确保由射频OAM天线向空间辐射的电磁波是沿径向向四周传播的，电磁波的z向电场分量远大于其余分量。

5.如权利要求3所述的基于环形行波天线的产生径向传播射频OAM波束的天线，其特征在于该天线波束传播路径上没有相位奇点，也不存在波束发散的问题。

6.如权利要求3所述的基于环形行波天线的产生径向传播射频OAM波束的天线，其特征在于要在空间中形成阶数为l的OAM波束的发射，金属环形腔的传播常数需满足R为开缝圆环半径。

7.如权利要求3所述的基于环形行波天线的产生径向传播射频OAM波束的天线，其特征在于阶数不同的能径向辐射OAM波束的射频OAM天线按一定的规律摆放成为天线阵，能够实现不同阶数OAM波束的发射和复用。

8.如权利要求7所述的基于环形行波天线的产生径向传播射频OAM波束的天线，其特征在于由不同阶数的基OAM波束的天线构成的OAM波束复用系统，且不同阶数的OAM波束之间的链路估计差异小。