CN106602275B - 一种电磁涡旋喇叭天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电磁涡旋喇叭天线，分为四段，第一段为主模激励圆波导段，此段为圆柱状，此段的半径满足主模传输条件λc为截止波长；第二段为主模的传输段，此段为圆台状，主模在这一段得到充分传输，此段圆台上下径满足主模单模传输条件；第三段为模式转换段，主模在此段经膜片微扰转换为TE21模，半径经过过渡变化到满足TE21模的传输条件第四段为喇叭的辐射段；喇叭结构第三段中有三个金属膜片，相互呈120°夹角，用于扰乱主模的电场分布，从而产生TE21模；在喇叭辐射段两个正交的极化简并TE21模叠加在一起，产生相位因子即是正负2阶的轨道角动量波。

Description

一种电磁涡旋喇叭天线
技术领域
本发明属于OAM无线通信技术领域，具体涉及一种电磁涡旋喇叭天线。
背景技术
现如今，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。在移动通信中，由于电磁频谱不仅具有开放性，同时具有有限性，使得如何通过提高频谱效率成为了推动现代通信技术持续不断发展的动力。统计数据表明，无线业务流量以每年接近100％的速度增长，这意味着未来10年，无线数据流量将增长1000倍。为满足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，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。
在不拓展可利用频谱带宽的情况下提高频谱利用率问题的指引下，近几年，微波波段的轨道角动量电磁涡旋技术逐渐成为研究热点。研究者从用于信息交换的无线通道本身的性质入手。1992年，荷兰物理学家L.Allen发现拉盖尔-高斯分布的激光束拥有轨道角动量，并预言了一套修正过的光学系统可将高阶数的拉盖尔-高斯光束转换为高阶数的赫米特-高斯光束。2004年，英国格拉斯哥大学天文物理系Gibson等人首次提出将轨道角动量应用于光通信，并证实了利用不同的轨道角动量状态实现多信道独立调制同频传输。根据麦克斯韦方程，电磁波不仅能传播能量同时能传播动量，传播的动量可分为线性动量(linear momentum)与角动量(angular momentum)，而角动量又分为旋转角动量(spinorbital momentum)与轨道角动量(orbital angular momentum)。在量子力学中，角动量是基本的物理量，旋转角动量(SAM)与量子的自旋有关，在光学中对应光的偏振，在电磁学中对应电磁波的极化方式。轨道角动量(OAM)描述螺旋波束横向旋转模式的空间坐标维度，垂直于坡印亭矢量方向。
与已有的复用技术不同，轨道角动量电磁涡旋复用技术能够将载波所携带的轨道角动量模式作为调制参数，并且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，人们在相同载频上可以得到多个相互独立的轨道角动量信道。由于轨道角动量在理论上可以拥有无穷维阶数，因而可以构成无穷维的希尔伯特空间，由此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。
因此设计一种结构简单易实现的轨道角动量天线对于未来移动通信具有极大的价值。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种电磁涡旋喇叭天线，所述的天线能够产生辐射性能好、增益高、后向辐射弱的正、负2阶的轨道角动量波。
本发明一种电磁涡旋喇叭天线，包括四段，其中，
第一段为主模激励圆波导段，此段为圆柱状，此段的半径满足主模传输条件λc为截止波长；
第二段为主模的传输段，此段为圆台状，主模在这一段得到充分传输，此段圆台上、下径满足主模单模传输条件；
第三段为模式转换段，主模在此段经膜片微扰转换为TE21模，半径经过过渡变化到满足TE21模的传输条件
第四段为喇叭辐射段，在喇叭辐射段两个正交的极化简并TE21模叠加在一起，产生相位因子即是正、负2阶的轨道角动量波。
进一步地，所述的天线底部圆波导段，有两个激励端口，两激励端口在圆周上呈90°夹角，端口1和端口2由同轴线馈电，激励源的频率、幅度相同，相位差±90°，用于激励出两个正交的极化简并主模；馈电相位的正负决定轨道角动量(OAM)模式的正负，即相位图形呈顺时针或是逆时针变化。
进一步地，所述的天线的第三段中有三个用于扰乱主模的电场分布、从而产生TE21模的金属膜片，三个金属膜片的大小相同，相互呈120°夹角。
借由上述方案，本发明一种电磁涡旋喇叭天线至少具有以下优点：
本发明基于圆波导模式组合的产生电磁涡旋的天线，能产生2阶、-2阶轨道角动量电磁波，辐射场在方向上含有相位因子得到轨道角动量电磁波，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。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为圆波导示意图；
图2为圆波导中极化简并模式的电场分布图；
图3为圆波导中模式组合的相位分布图；
图4为喇叭天线的结构示意图；
图5为一种产生OAM波束的喇叭实例结构图；
图6为喇叭中膜片分布示意图；
图7为l＝2时，平行于喇叭口径平面上辐射电场z分量的相位分布图；
图8为l＝2时，平行于喇叭口径平面上辐射电场分量的相位分布图；
图9为l＝2时，平行于喇叭口径平面上辐射电场r分量的相位分布图；
图10为l＝-2时，平行于喇叭口径平面上辐射电场z分量的相位分布图；
图11为l＝-2时，平行于喇叭口径平面上辐射电场分量的相位分布图；
图12为l＝-2时，平行于喇叭口径平面上辐射电场r分量的相位分布图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
一种电磁涡旋喇叭天线，基于圆波导中模式组合的轨道角动量(OAM)波束产生方法。
图1所示为圆波导的结构示意图，从图中可以看出圆波导具有高度的轴对称性，波导中各场分量表达式如下：
TE模，Ez＝0
从表达式中可以看出，场量沿的分布存在和两种可能，这两种分布在横截面内的振荡阶数完全相同。
如图2所示，两种场的分布完全相同，只是极化面相差90°，是圆波导中特有的极化简并现象。
轨道角动量(OAM)与电磁涡旋的前进方向上的涡旋波阵面有关，电磁涡旋的场表达式中具有的相位因子，是方位角，l为整数，表示在一个周期内相位绕传播方向改变2πl。
由涡旋电磁波场表达式中含有以及圆波导中场表达式中的极化简并现象，可将同一模式的两种极化简并的场叠加。
即TEmn±jTEmn：这里的m等同于l，为轨道角动量阶数，是不为零的整数。
如图3所示，为圆波导中TE11模和TE21的两个极化简并模式叠加，分别得到的相位分布。可以看到图3左图的相位改变了2π，右图相位改变了4π。
如图4所示，为本发明提供的一种轨道角动量天线结构示意图,本实施例基于圆波导模式组合的产生电磁涡旋的天线，在结构上分为四段组成：第一段为主模激励圆波导段，此段的半径满足主模传输条件λc为截止波长；第二段为主模的传输段，主模在这一段得到充分传输，此段圆台上下径同样满足主模单模传输条件；第三段为模式转换段，主模在此段经膜片微扰转换为TE21模，半径经过过渡变化到满足TE21模的传输条件第四段为喇叭的辐射段。
如图5所示的是本发明定义的可产生2阶轨道角动量波束的喇叭天线实例，其结构简单，易于实现。天线底部圆波导部分，有两个激励端口，两激励端口在圆周上呈90°夹角，端口1和端口2由同轴线馈电，激励源频率幅度相同，相位差±90°，用于激励出两个正交的极化简并主模。馈电相位的正负决定OAM模式的正负，即相位呈顺时针或是逆时针变化。喇叭结构第三段中有三个金属膜片。
如图6所示，三个膜片大小相同，相互呈120°夹角，作用是扰乱主模的电场分布，从而产生TE21模。在喇叭辐射段两个正交的极化简并TE21模叠加在一起，产生相位因子即是正负2阶的轨道角动量波。
图7至图9给出了端口1和端口2馈电相位差90°时，平行于喇叭口面上电场分量的相位分布图，从图中可见电场相位沿轴线方位角呈顺时针涡旋状，沿圆周一圈相位改变4π，满足l×2π，此时l＝2为2阶OAM。
图10至图12给出了端口1和端口2馈电相位差-90°时，平行于喇叭口面上电场分量的相位分布图，从图中可见电场相位沿轴线方位角呈逆时针涡旋状，沿圆周一圈相位改变4π，满足l×2π，此时l＝-2为-2阶OAM。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种电磁涡旋喇叭天线，其特征在于，包括四段，其中，
第一段为主模激励圆波导段，此段为圆柱状，此段的半径满足主模传输条件λc为截止波长；
第二段为主模的传输段，此段为圆台状，主模在这一段得到充分传输，此段圆台上、下径满足主模单模传输条件；
第三段为模式转换段，主模在此段经膜片微扰转换为TE21模，半径经过过渡变化到满足TE21模的传输条件
第四段为喇叭辐射段，在喇叭辐射段两个正交的极化简并TE21模叠加在一起，产生相位因子即是正、负2阶的轨道角动量波；
所述的天线底部圆波导段，有两个激励端口，两激励端口在圆周上呈90°夹角，端口1和端口2由同轴线馈电，激励源的频率、幅度相同，相位差±90°，用于激励出两个正交的极化简并主模；馈电相位的正负决定轨道角动量(OAM)模式的正负，即相位图形呈顺时针或是逆时针变化；
喇叭结构第三段中有三个金属膜片，三个膜片大小相同，相互呈120°夹角，作用是扰乱主模的电场分布，从而产生TE21模，在喇叭辐射段两个正交的极化简并TE21模叠加在一起，产生相位因子即是正负2阶的轨道角动量波。
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