CN107104283B - 径向传播oam波束的环形介质谐振腔天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种径向传播OAM波束的环形介质谐振腔天线。本发明整体结构为沿侧壁周向环形开缝的环形介质谐振腔，环形介质谐振腔由环形金属腔和中间填充介质组成。环形介质谐振腔可以看作是同轴线谐振腔。环形介质谐振腔中介质外半径为同轴线外导体内半径，介质内半径为同轴线谐振腔内导体半径。环形介质谐振腔高度为同轴线谐振腔的高度。开缝处位于金属侧壁对应介质侧壁正中间位置。内部填充介质由各项同性的均匀介质填充。本发明结合同轴线谐振腔和环形行波天线结构，设计了一种内部填充介质产生径向传输的射频轨道角动量波束的天线结构。本发明能够减小天线口径，提高无线通信系统的信道容量和传输效率。

Description

径向传播OAM波束的环形介质谐振腔天线

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理论的径向传播携带轨道角动量(OAM)射频波束的环形介质谐振腔天线。

背景技术

随着互联网和移动通信的快速发展，无线通信已经融入进生活的方方面面之中。无论是近距离的NFC、蓝牙、WIFI技术，还是远距离的4G通信技术、5G通信技术，一张张无线通信网络已经在人们身边悄然搭起。然而，对于移动通信系统大容量高速率的需求，无线频谱资源受限的问题日益凸显。基于频率、相位、振幅这些电磁波常规调制方法已经得到较为充分的开发和利用，在通信容量上，这些维度的深度挖掘已经无法在根本上改变通信容量不足的现状。所以，从长远角度来看，寻找一种全新的物理维度加以利用，才是切实可行的办法。携带有轨道角动量(OAM)的涡旋电磁波通信正是在这个背景下应运而生。

电磁波不仅具有能量，而且还可以携带角动量。携带的角动量又可以分为自旋角动量和轨道角动量。其中，轨道角动量是电磁波的基本物理属性之一，反映电磁波围绕传播方向轴的周向相位变化参数。相位变化的周期数定义为涡旋结构的拓扑荷l，即OAM的阶数，可以取任意整数。对于任意确定频率的电磁波，全部OAM波束构成一组相互正交的、数目无限多的本征模式集合。OAM通信正是利用了携带不同轨道角动量波束相互正交这一特点，提供了一个新的可供复用的参数维度，即不同l值代表不同的信息通道。而且，l值在理论上有无穷个，如果能够在实际中得以应用，将大幅度的提高通信容量，从根本上解决频谱资源不足的问题。

目前，对于轨道角动量波束的研究主要集中于光波段和射频波段。光频轨道角动量波束可以通过螺旋相位板，全息图形等方法产生。射频轨道角动量波束可以使用螺旋抛物面天线，螺旋相位板，阵列天线等方法产生。这些方法产生的OAM波束在波束中心都存在相位奇点，该点并不携带轨道角动量。随着传播距离的增加，中心奇点区域逐渐变大，不利于接收天线在远距离接收信号。因此，径向传播的射频OAM波束很好的避免了这个问题，为远距离传播OAM波束提供了一条新的途径。在此基础上，如何在天线有限口径的情况下，将径向传播的OAM波束更好的应用到实际之中便显得格外重要。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种基于环形行波天线的径向传播OAM波束的环形介质谐振腔天线。

本发明解决技术问题所采取技术方案为：

本发明环形介质谐振腔天线的结构为沿侧壁周向环形开缝的环形介质谐振腔。环形介质谐振腔由环形金属腔和介质组成，介质填充在环形金属腔。环形介质谐振腔可以看作是同轴线谐振腔，，环形介质谐振腔中介质外半径为同轴线外导体内半径b，介质内半径为同轴线谐振腔内导体半径a。环形介质谐振腔高度为同轴线谐振腔的高度h。开缝处位于金属侧壁对应介质侧壁正中间位置。按照所需产生的OAM阶数l，设计环形介质谐振腔周长，使其工作在TM_l10模式，沿缝隙向外辐射阶数为l的径向射频OAM波束。所述的环形介质谐振腔，根据环形行波天线理论采用双端口激励馈电。当两个激励端口中输入频率相同且相位相差π/2的激励源时，环形介质谐振腔中的电磁波以行波形式绕圆周顺时针或逆时针传播；若需要产生阶数为l的OAM波束，则两个馈点之间的弧度γ＝((2m+1)π)/2l，m取值为0至l-1之间的任意整数；环形金属腔的馈电处周长为其中，ε为填充介质的相对介电常数。因此，在环形介质谐振腔底面半径相同弧度相差γ的圆周处开两个通孔，并在介质的相同位置出打两个非通孔，用以插入探针馈电。

所述的环形介质谐振腔天线，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，构成一种类似若干多的磁流源紧密排列的环形行波天线结构，产生径向辐射的射频OAM波束，电磁波垂直于缝隙方向的分量为其电场主要分量。

所述的内部填充介质由各项同性的均匀介质填充，介质中电磁波波长使得环形介质谐振腔天线的口径大幅减小，组成阵列的口径也随之减小。

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天线按照一定排列方式构成天线阵，能够实现不同阶数径向OAM波束的复用。

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天线组成的天线阵具有更小的口径，同时增加无线通信容量，提高通信系统传输效率。

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，基于环形行波天线理论提出了一种可以大幅度减小天线口径的径向传播射频OAM波束的环形介质谐振腔天线结构。该发明对于建构OAM无线通信系统，增加信道容量，促进OAM无线系统小型化，加快OAM无线通信的实用化，具有非常重要的意义。与背景技术中的OAM波束产生方法相比，本发明产生的OAM波束沿径向传输，避免了接收时波束发散口径过大导致接收困难的问题，而且相比于空气谐振腔天线，不同OAM模式的环形介质谐振腔的口径可以减小50％左右。在利用本发明的天线组成天线阵列进行多路复用时，天线阵的口径可以大幅减小，不同的天线调制不同OAM态信号，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，减小阵列口径，增加通信容量。

附图说明

图1是柱坐标系中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是本发明环形介质谐振腔天线外部结构图；

图3是本发明环形介质谐振腔天线剖面结构图；

图4是本发明的环形介质谐振腔天线在空间辐射的径向电场相位分布图；

图5是本发明的环形介质谐振腔天线在空间辐射的远场随俯仰角θ变化时的方向图；

图6是本发明的环形介质谐振腔天线在空间辐射时沿主瓣圆周的相位分布；

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至图6所示，径向传播OAM波束的环形介质谐振腔天线，其工作原理如下：电磁波的传播方式不同导致波矢量k的取向不同，如图1所示，在坐标轴为的柱坐标系中，任意一处波矢量k在三个方向上的投影形成了一个向量空间。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，不管是电流源天线还是磁流源天线，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。这类环形行波天线在空间中的辐射可产生具有螺旋相位分布为的l阶OAM波束。

如图2和图3所示，径向传播OAM波束的环形介质谐振腔天线，其主体结构为沿侧壁周向环形开缝1的环形介质谐振腔。环形介质谐振腔由环形金属腔2和中间填充介质3组成。因此，环形介质谐振腔可以看作是同轴线谐振腔，工作在TM_l10模式。环形介质谐振腔中介质外半径为同轴线外导体内半径b，介质内半径为同轴线谐振腔内导体半径a。环形介质谐振腔高度为同轴线谐振腔的高度h。开缝处位于金属侧壁正中间，环形介质谐振腔周长按照所需的OAM阶数l设计得出。

径向传播OAM波束的环形介质谐振腔天线采用双端口激励馈电。在环形介质谐振腔金属底面上，在半径相同弧度相差γ的圆周处开两个通孔4、5，并在介质的相同位置6处打两个非通孔，用以插入探针馈电。其中，两个馈点之间的弧度γ＝((2m+1)π)/2l，m取值为0至l-1之间的任意整数；环形金属腔的馈电处周长为其中，ε_r为填充介质的相对介电常数。

环形介质谐振腔天线，能产生径向辐射的射频OAM波束，金属环形腔的缝隙处会向空间辐射电磁波，构成一种类似若干多的磁流源紧密排列的环形行波天线结构，产生径向辐射的射频OAM波束，电磁波垂直于缝隙方向的分量为其电场主要分量。

内部填充介质由各项同性的均匀介质填充，介质中电磁波波长使得环形介质谐振腔天线的口径大幅减小，组成阵列的口径也随之减小，增加无线通信容量，提高通信系统传输效率。

实施例：

在本发明中选择l＝3，射频频率为10GHz，相对介电常数为10.2的各项同性均匀介质，环形介质外半径b＝12.75mm，内半径a＝6.35mm，介质高度h＝3.81mm，天线口径26.5mm。在外金属壁侧面开圆环形缝，会向空间辐射电磁波，构成一种类似磁流源紧密排列的环形行波天线。

图4是电磁仿真软件CST中仿真得到的环形介质谐振腔天线在缝隙中心所在截面上的电场相位分布图，由此可见电场相位随着天线中心圆周角的变化呈现涡旋特性，证明了这种环形介质谐振腔天线产生的电磁波携带轨道角动量，且电场相位沿圆周一圈变化满足2πl＝6π，说明这种环形腔产生l＝3的射频OAM波束。图5是本发明的环形介质谐振腔天线在远场的辐射方向图，由此可见天线主瓣方向角θ＝π/2，辐射场达到最大，这证明了这种环形介质谐振腔天线产生的OAM波束是沿径向传播的。图6是本发明的环形介质谐振腔天线在远场时主瓣所在平面内一周的电场相位分布，可见环形介质谐振腔天线所产生的电磁波在远场依旧具有符合设计要求的轨道角动量特性。

Claims (1)

1.径向传播OAM波束的环形介质谐振腔天线，其特征在于环形介质谐振腔天线的结构为沿侧壁周向环形开缝的环形介质谐振腔；环形介质谐振腔由环形金属腔和介质组成，介质填充在环形金属腔；环形介质谐振腔能够看作是同轴线谐振腔，环形介质谐振腔中介质外半径为同轴线外导体内半径b，介质内半径为同轴线谐振腔内导体半径a，环形介质谐振腔高度为同轴线谐振腔的高度h；开缝处位于金属侧壁对应介质侧壁正中间位置；按照所需产生的OAM阶数l，设计环形介质谐振腔周长，使其工作在TM_l10模式，沿缝隙向外辐射阶数为l的径向射频OAM波束；

采用双端口激励馈电结构，当两个激励端口中输入频率相同且相位差为π/2的激励源时，环形介质谐振腔中的电磁波以行波形式绕圆周逆时针或顺时针传播；如果需要产生阶数为l的OAM波束，则两个馈点之间的弧度γ＝((2m+1)π)/(2l)，m取0至l-1之间的任意整数；环形金属腔的馈电处周长为其中，ε_r为填充介质的相对介电常数；

该环形介质谐振腔天线通过外壁圆环缝隙向空间辐射电磁波，构成一种结构为多个磁流源紧密排列的环形行波天线，能够产生径向辐射的射频OAM波束，电磁波垂直于缝隙方向的分量为其电场主要分量；

环形介质谐振腔天线产生的径向传播OAM波束不存在相位奇点和波束发散的问题；

在环形介质腔内部填充介质，由于介质具有各项同性且介电常数均匀的性质，介质中电磁波波长使得环形介质谐振腔天线的口径大幅减小，组成阵列的口径也随之减小；

阶数不同、能产生径向辐射OAM波束的环形介质谐振腔天线按一定排列方式构成天线阵，能够实现不同阶数径向OAM波束的复用；

对于产生不同阶数的OAM波束的环形介质腔天线调制上不同的信号后，能够在天线阵口径减小的同时增加无线通信容量。