CN111403906B - 一种聚束型多模电磁涡旋发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种聚束型多模电磁涡旋发生器，属于OAM无线通信技术领域。本发明所述发生器包括UCA初级辐射结构、馈电结构和抛物反射面结构；所述UCA初级辐射结构包括N个相同的微带单元以360°/N的角度绕中心作均匀圆周排列；所述馈电结构包括一个一分N路等分功分器、N个移相器和N根传输馈线；所述抛物反射面结构位于UCA初级辐射结构的斜上方，其焦点附近放置于UCA初级辐射结构。本发明所述电磁涡旋发生器通过控制UCA初级辐射结构各单元之间的馈电相位差，在对抛物反射面结构作偏馈照射达到聚束作用的同时，可降低UCA初级辐射结构对反射面结构的遮挡。整个系统能产生携带不同模式的聚束型轨道角动量电磁波，前向辐射性能好，后向辐射弱。

Description

一种聚束型多模电磁涡旋发生器
技术领域
本发明属于OAM无线通信技术领域，具体涉及一种聚束型多模电磁涡旋发生器。
背景技术
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态势。在移动通信中，电磁频谱不仅具有开放性，同时具有有限性，这使得如何提高频谱效率成为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。为满足不断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。
在不拓展可利用频谱带宽即能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波技术逐渐成为研究热点。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，并预言一套修正的光学系统可将高阶拉盖尔-高斯光束转换为高阶数赫米特-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，并验证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还能传播动量，传播的动量可分为线性动量(linear momentum)与角动量(angular momentum)，而角动量又分为自旋角动量(spin orbital 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，自旋角动量(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。而轨道角动量(OAM)描述螺旋波束横向旋转模式的空间坐标表现，垂直于坡印亭矢量方向。
与已有的复用技术不同，轨道角动量电磁波复用技术能够将不同模态的涡旋波作为通信载波，根据所谓模式数或拓扑电荷数区分不同的信道，并且利用轨道角动量不同模式内在的正交性，可在相同载频上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，在理论上，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。
目前，轨道角动量电磁波的生成已有多种方式，但均有不同程度的缺点。如公开号为CN107706518A的专利申请中只能产生模态数为2的轨道角动量电磁波；公开号为CN109546319A的专利申请虽然能产生多种模态的轨道角动量电磁波，但对于轨道角动量的波束中空特性未有改善。
当前的技术所产生的涡旋电磁波，其波束整体呈发散形态，波束中心存在凹陷，中心能量缺失，整体呈现空锥形，且模态数的绝对值越大，空锥的发散角越大，这对于移动通信应用来说具有很大的局限性。因此，设计一种能够同时生成多模态且波束汇聚的、辐射性能良好的电磁涡旋发生器具有较大的意义。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种聚束型多模电磁涡旋发生器。本发明所述发生器能产生多种模态的轨道角动量电磁波，并能有效压缩轨道角动量电磁波的中空波束分离角的大小。首先对UCA(Uniform Circular Array，均匀圆形阵列)初级辐射结构的N个单元天线进行馈电相位差的控制从而产生辐射性能好、后向辐射弱、绝对值为1到N阶(或-1到-N)的初级轨道角动量电磁波，然后由偏馈抛物面反射，便可达到在聚束作用的同时降低初级辐射结构对反射面的遮挡，最终产生聚束型多模轨道角动量电磁波。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：
一种聚束型多模电磁涡旋发生器，包括UCA初级辐射结构、馈电结构和抛物反射面结构；所述UCA初级辐射结构由N个相同的单元天线呈均匀圆周排列，相邻的单元天线与圆周的圆心连接的夹角为360°/N，N为大于2的正整数；所述馈电结构包括一个一分N路等功分器、N个移项器和N根传输馈线；所述抛物反射面结构位于UCA初级辐射结构的斜上方，是从完整的旋转抛物面中截取的一部分，UCA初级辐射结构处于其焦点位置或焦点位置附近；
输入激励信号经过一分N路等功分器等分为N路等幅同相的信号后，分别进入N个移项器，再分别通过N根传输馈线馈入UCA初级辐射结构的N个单元天线；通过调节N个移项器的相移量，使得UCA初级辐射结构中相邻单元天线的馈电相位差满足
Figure BDA0002398682750000021
l为预期产生的轨道角动量模态数，1≤l≤(N-1)/2，并同时使N个单元天线的馈电相位沿顺时针或逆时针方向依次增大，即可实现等幅等相位差馈电，从而可由UCA初级辐射结构产生轨道角动量模态数为l的涡旋电磁波；
UCA初级辐射结构产生的涡旋电磁波经抛物反射面结构的偏馈式照射，即可达到聚束作用，同时降低UCA初级辐射结构对反射面的遮挡；所产生的l阶聚束型轨道角动量电磁波位于抛物反射面的下方。
因此，本发明提供的一种聚束型多模电磁涡旋发生器，根据l的取值不同，在空间中能相应的产生绝对值为1到N阶的聚束型轨道角动量电磁波，即通过改变馈电相位差，用同一结构就能实现多个聚束型轨道角动量模态的生成。
所述发明结构能够产生的轨道角动量最高整数阶数lmax，由UCA初级辐射结构中的单元个数N所决定，满足lmax＜N/2。并且，所述UCA初级辐射结构产生的l阶轨道角动量电磁波经过抛物反射面结构的反射后，整体结构产生的聚束型轨道角动量电磁波的阶数为-l。
下表为l取值、馈电相位差
Figure BDA0002398682750000031
和轨道角动量电磁波阶数绝对值之间的关系。
Figure BDA0002398682750000032
进一步地，所述UCA初级辐射结构中的N个相同的单元天线为前向辐射性能良好的天线，包括微带、八木、带反射板的振子、喇叭、平面螺旋或圆锥螺旋等各类天线。
进一步地，所述UCA初级辐射结构的单元天线的具体结构、阵列半径大小以及阵列的共圆心多环扩展等，均可根据需求进行配置。
进一步地，所述馈电结构可根据需要配置相关器件，包括功分器、移相器、射频接头、传输馈线等，其中移项器可以是数字式移项器或模拟型移项器，传输馈线可以是同轴线、微带线或波导管。
进一步地，所述抛物反射面结构的焦距、口径以及被截取部分的大小，可根据UCA初级辐射结构的尺寸和辐射效率要求进行调整。
进一步地，所述UCA初级辐射结构除了可放置在抛物面反射结构的焦点处，也可以根据需要放置在焦点附近的其它适合位置。
本发明的有益效果是：
本发明所述聚束型多模电磁涡旋发生器，可以通过控制UCA初级辐射结构的单元天线之间的馈电相位差，用同一种装置产生携带不同模式的聚束型轨道角动量电磁波，有效压缩了轨道角动量电磁波的中空波束的发散角大小，可优先应用于无线通信；且产生的轨道角动量电磁波的前向辐射性能好，后向辐射弱。
附图说明
图1为本发明所述发生器的结构组成示意图；
图2为本发明中UCA初级辐射结构的结构示意图；
图3为本发明中抛物反射面结构的结构示意图；
图4为本发明中抛物反射面结构的波束汇聚作用的示意图；
图5为实施例中馈电相位差为67.5°(即l＝3时)的电磁涡旋发生器所产生的聚束型轨道角动量电磁波的近场相位的分布图；
图6为实施例中仅由UCA初级辐射结构(不含抛物反射面结构)所产生的轨道角动量电磁波的远场增益图；
图7为实施例中整个装置(包含抛物反射面结构)所产生的聚束型轨道角动量电磁波的远场增益图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
本实施例提供一种聚束型多模电磁涡旋发生器，其结构组成示意图如图1所示，工作频率为10GHz，包括UCA初级辐射结构、馈电结构和抛物反射面结构；
所述UCA初级辐射结构的结构示意图如图2所示，由16个相同的单元天线呈均匀圆周排列，相邻的单元天线与圆周的圆心连线的夹角为360°/16，阵列半径为60mm；单元天线为微带贴片天线，其金属贴片的尺寸为11.859mm*9.36mm，介质基板的尺寸为17.759mm*16.26mm*0.575mm，介质材料为RT/duroid 5880，相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，馈电位置为1.4155mm；
所述馈电结构包括一个1分16路等功分器、16个移项器和16根传输馈线；
所述抛物反射面结构的结构示意图如图3所示，位于UCA初级辐射结构的斜上方，与水平夹角为45°，由半径900mm的圆柱体与贯穿半径2400mm、焦深1500mm的抛物面，截取公共部分所得，其焦点位置处于UCA初级辐射结构；
输入激励信号经过1分16路等功分器等分为16路等幅同相的信号后，分别进入16个移项器，再分别通过16根传输馈线馈入UCA初级辐射结构的16个单元天线；通过调节16个移项器的相移量，使得UCA初级辐射结构中相邻单元天线的馈电相位差满足
Figure BDA0002398682750000041
l为预期产生的轨道角动量模态数，1≤l≤(16-1)/2，并同时使16个单元天线的馈电相位沿顺时针或逆时针方向依次增大，即可实现等幅等相位差馈电，从而可由UCA初级辐射结构产生轨道角动量模态数为l的涡旋电磁波；
如图4所示，UCA初级辐射结构产生的涡旋电磁波经抛物反射面结构的偏馈式照射，即可达到聚束作用，同时降低UCA初级辐射结构对反射面的遮挡；所产生的l阶波束聚束型轨道角动量电磁波位于抛物反射面的正下方。
图5为实施例中馈电相位差为67.5°时(即l＝3)的电磁涡旋发生器所产生的聚束型轨道角动量电磁波的近场相位的分布图，由图可知得到的3阶轨道角动量电磁波相位空间分布良好，复合其模态特征。
图6为本实施例电磁涡旋发生器的UCA初级辐射结构(不含抛物面)所产生的轨道角动量电磁波的远场增益图。图7为本实施例聚束型电磁涡旋发生器(含抛物反射面)整体所产生的聚束型轨道角动量电磁波的远场增益图。由图可知，本发生器将UCA初级辐射结构所产生的3阶轨道角动量电磁波波束的发散角从40°压缩到了4°，压缩率达到90％，而增益则由10dBi左右提升到了30dBi，提升了两个数量级。由此可见其具有优秀的波束汇聚作用，并且所产生的轨道角动量电磁波前向辐射性能好、后向辐射弱。

Claims (4)

1.一种聚束型多模电磁涡旋发生器，其特征在于，包括UCA初级辐射结构、馈电结构和抛物反射面结构；所述UCA初级辐射结构由N个相同的单元天线呈均匀圆周排列，N为大于2的正整数；所述馈电结构包括一个一分N路等功分器、N个移相器和N根传输馈线；所述抛物反射面结构位于UCA初级辐射结构的斜上方，是从完整的旋转抛物面中截取的一部分，UCA初级辐射结构处于其焦点位置；
输入激励信号经过一分N路等功分器等分为N路等幅同相的信号后，分别进入N个移相器，再分别通过N根传输馈线馈入UCA辐射结构的N个单元天线；通过调节N个移相器的相移量，使得UCA初级辐射结构中相邻单元天线的馈电相位差满足
Figure FDA0003895334020000011
l为预期产生的轨道角动量模态数，1≤l≤(N-1)/2，并同时使N个单元天线的馈电相位沿顺时针或逆时针方向依次增大，实现等幅等相位差馈电，UCA初级辐射结构产生轨道角动量模态数为l的涡旋电磁波；
抛物反射面结构位于UCA初级辐射结构的斜上方，与水平夹角为45°，由半径900mm的圆柱体与贯穿半径2400mm、焦深1500mm的抛物面截取公共部分所得；
UCA初级辐射结构产生的涡旋电磁波经抛物反射面结构的偏馈式照射，所产生的l阶聚束型轨道角动量电磁波位于抛物反射面的下方；
根据l的取值不同，在空间中能相应的产生绝对值为1到N阶的聚束型轨道角动量电磁波，即通过改变馈电相位差就能实现多个聚束型轨道角动量模态的生成；能够产生的轨道角动量最高整数阶数lmax，由N决定，满足lmax＜N/2；UCA初级辐射结构产生的l阶轨道角动量电磁波经过抛物反射面结构的反射后，聚束型多模电磁涡旋发生器产生的聚束型轨道角动量电磁波的阶数为-l。
2.根据权利要求1所述的聚束型多模电磁涡旋发生器，其特征在于，UCA初级辐射结构中的单元天线为微带天线、八木天线、带反射板的振子天线、喇叭天线、平面螺旋天线或圆锥螺旋天线。
3.根据权利要求1所述的聚束型多模电磁涡旋发生器，其特征在于，移相器为数字移相器或模拟移相器，传输馈线是同轴线、微带线或波导管。
4.根据权利要求1所述的聚束型多模电磁涡旋发生器，其特征在于，N＝16。
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