CN206471491U - 一种双环结构多模态oam电磁涡旋波阵列天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种双环结构多模态OAM电磁涡旋波阵列天线，包括介质基板、若干组阵元以及与各阵元对应的同轴馈线和输入端口，所述阵元采用微带贴片天线；所述每组阵元分别以各自设定间隔沿圆周均匀分布排列在所述介质基板的一面，介质基板的另一面为接地面，所述输入端口通过同轴馈线连接对应阵元。本实用新型可以实现在同一频点同时产生多种OAM模态的电磁涡旋波，OAM电磁涡旋波用于多路复用，可以在单个信道同时发送多个同轴数据流，显著增加系统容量并提高无线通信频谱效率。由于使用双环结构，本实用新型可以有效的改善电磁涡旋波信号的质量，提高其方向性以及增益，获得更好的天线性能。

Description

一种双环结构多模态OAM电磁涡旋波阵列天线

技术领域

本实用新型涉及天线技术领域，尤其涉及一种双环结构多模态OAM电磁涡旋波阵列天线。

背景技术

根据经典电动力学理论，电磁辐射可以同时携带能量以及角动量，角动量是由描述极化状态的自旋角动量（Spin angular momentum，SAM）和描述螺旋相位结构的轨道角动量（Orbital angular momentum，OAM）组成。自旋角动量与光子的自旋相关，呈现出一种圆偏振的表现形式，20世纪初Poynting就预测了SAM的存在，但是直到1936年Beth通过实验验证之后SAM才被广泛应用，而轨道角动量（OAM）是与光子的空间分布相关。1838年，Airy发现了在透镜的焦平面上有异常光环形成；1967年，Boivin等人分析发现该光环的能流中存在着绕焦平面轴线旋转的涡旋，表明光场中存在轨道角动量；1974年，Nye等人将晶体中的缺陷概念引入波动问题，证明了波前中的相位缺陷是导致光学涡旋产生的原因；1979年，Vaughan等人分析了具有螺旋波前光束的干涉特性；1981年，Baranova等人分析了散斑光场中的光涡，发现光涡产生概率是一定的，并且在散斑场中不能形成高拓扑荷的光涡；1989年，Coullet等人分析了具有高菲涅耳数的激光腔，发现腔内光场具有类似于超流体涡旋的特点，他们采用Maxwell-Bloch模型从理论角度阐释了涡旋解的存在，促进了关于光束轨道角动量的研究。直到1992年，关于OAM光束的研究取得了重要进展：Allen等人证明了在近轴近似条件下，具有相位因子的LG螺旋激光束每光子具有轨道角动量，这一结论随后被推广到非近轴近似的情况。自此之后，关于OAM应用的研究引起了人们的巨大兴趣。

OAM的应用之一是实现对原子与分子的操纵，这主要利用了其动力学性质。1995年，He等人在实验中发现OAM光束的轨道角动量可以传递给物质粒子；1997年，Simpson等人进一步提出光束的轨道角动量和自旋角动量一样，可以对粒子施加力矩使之转动，并提出了“光学扳手”的概念，他们发现使用OAM光束的光镊系统对粒子的束缚能力远高于使用传统高斯光束的光镊，能以更高的效率实现对微现粒子的分馏和自组织、气捕获和移动等微操作，同时减轻对微粒的损伤，这对生物分子、细胞、细菌、病毒等的研究有着重要意义。

无论在光学领域中还是在无线电领域，OAM都是表征具有螺旋相位结构波形的自然属性。OAM在光学中已经被广泛应用，通过引入OAM，光通信系统的传输能力得到很大程度的扩展。2007年，Thide等人首次提出将光子轨道角动量应用于低频，通过仿真验证了可以使用相控阵列天线产生类似拉盖尔高斯光束的电磁涡旋波，开创了将轨道角动量应用在无线通信中的先河，提出了利用电磁涡旋波用于扩大无线通信容量的设想，启发了在无线通信中使用OAM载波的思想。2008年，Garcia-Escartin等人研究了基于光子OAM的量子复用问题，分析了使用合路器和多路器来综合量子信道的方案。2010年，Mohammadi等人系统地研究了基于天线阵列的OAM波束生成方法。2012年，Edfors等人建议在无线通信系统中使用OAM技术。同年，Tamburini等人利用螺旋抛物面天线和八木天线在2.414GHz的频带上首次验证了携带轨道角动量的电磁波在无线通信中进行信息传输的可行性。实验采用螺旋抛物面天线和八木天线分别产生具有OAM模态的电磁涡旋波和正常电磁波，并在同一频点上，以不同的OAM模态值对不同的波束进行编码传输。并在上述装置的基础上，在接收端利用相位干涉仪测量波束中电场的相位差，验证了电磁涡旋波的抗干扰能力。Abhay等人通过仿真分析了螺旋抛物面天线的设计方法；Wang等人则通过使用OAM复用技术在自由空间中实现了2.56Tbits/s的数据传输，系统的频谱利用率达到了95.7bits/s。2013年，利用OAM复用技术，Bozinovic等人在光纤中也实现T比特量级的数据传送。此后，一系列关于OAM波束生成的方法被报道出来，例如，Deng等人提出利用Vivaldi天线阵产生OAM波，Bai等人在圆环形天线阵中使用的矩形贴片阵元，也成功产生了OAM波；Tennant等人提出了时变阵列（Time-switchedarray，简称TSA），可使阵列的多个谐波产生OAM特性，可以同时产生多个模态的OAM值。综上，要发展OAM复用的理论与技术，需系统研究OAM载波的产生、传输和检测等问题，因此关于OAM无线电波束的生成方法是目前研究的热点。

目前，结合轨道角动量在相关领域中的研究进展，在无线电频段生成OAM无线电波的方法主要有两种手段，分别是阵列天线和螺旋抛物面天线。阵列天线通过控制阵元辐射场的相位差产生想要的OAM模式波；螺旋抛物面天线则通过调整抛物面开口两端的间距产生任意模式的OAM电磁涡旋波。2011年，B.Thide等人利用螺旋抛物面天线产生模态值l＝1的电磁涡旋波，这种天线是将抛物面天线扭曲成螺旋抛物面结构，形成连续的相位梯度，在物理上模拟了空间方位角的相位旋转接收端则利用两个天线构成一个相位干涉仪，利用相位干涉法来识别OAM的模态值。然而，这种OAM螺旋抛物面天线也有明显的缺陷，造价高，制作困难，并且实验中所采用的螺旋抛物面天线结构是一种单一固定结构，不适用于连续相位控制，即一个确定的几何结构只能产生一种模式的OAM波，这种单一结构不能同时产生多种OAM模态，若需生成不同的OAM波束，则必须调整开口的大小，在实际无线通信系统中，这种方法显然是行不通的。

除了通过上述天线赋型形式产生携带OAM的电磁波，阵列天线是产生携带OAM波束的另一种方法，可以通过改变阵元间馈电相位关系来产生不同的OAM模态，即构成阵列天线结构，这种结构可以实现产生多模态OAM的要求。将若干天线单元等规则排成阵列，利用电磁波的干涉和叠加原理，通过馈电网络结构或者根据高速射频开关技术控制各阵元之间的馈电相位差，使电磁场辐射出的能量能在空间中重新分配，实现空间能量的不均匀分布，即某些区域的场增强而某些区域的场减弱，利用这种原理通过改变阵元之间馈电相位差的方式就可以产生不同OAM模态的电磁波。目前使用天线阵列的方法产生OAM电磁涡旋波的研究尚且停留在阵元数目较少的简单结构，多为4或8阵元单环结构阵列天线，其最大的局限性在于产生的信号中心增益较低方向性较差，且模态数越高这种现象越明显，这显然是不利于应用于通信系统的，因此我们需要更好的方法对此进行改进。

随着无线通信爆炸性的发展，对无线频谱资源的需求正在急速上升。然而，目前传统的命令和控制频谱策略导致显著的频谱利用不足，因而目前授权频谱的使用率不高。利用率和能源效率低下的频谱成为无线电技术可持续发展的需要迫切解决的瓶颈问题。作为一个有发展前景的方法以解决频谱效率低下、打破目前频谱利用率不足的僵局，轨道角动量在最近引起了广泛研究。与此同时，由于电磁涡旋波的固有特性，模态值越高其方向性越差且在传输过程中信号的中心增益较低，该特性不利于信号的接收，这成为OAM阵列天线被广泛应用于无线通信系统的主要障碍。

实用新型内容

本实用新型的目的在于通过一种双环结构多模态OAM电磁涡旋波阵列天线，来解决以上背景技术部分提到的问题。

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种双环结构多模态OAM电磁涡旋波阵列天线，包括介质基板、若干组阵元以及与各阵元对应的同轴馈线和输入端口，所述阵元采用微带贴片天线；所述每组阵元分别以各自设定间隔沿圆周均匀分布排列在所述介质基板的一面，介质基板的另一面为接地面，所述输入端口通过同轴馈线连接对应阵元。

特别地，所述双环结构多模态OAM电磁涡旋波阵列天线包括两组阵元共计16个，每组八个阵元分别以各自设定间隔沿圆周均匀分布排列在所述介质基板上。

特别地，所述两组阵元分别以半径为0.6λ和0.8λ沿圆周均匀分布排列在所述介质基板上组成双环天线阵列，其中λ为双环天线阵列辐射波长。

特别地，所述阵元被馈送相同的信号，相邻两个阵元间的相位差为45°；所述介质基板的半径为80.66mm。

特别地，所述双环结构多模态OAM电磁涡旋波阵列天线产生的OAM模态数l为：-4＜l＜4，即l＝0，l＝±1，l＝±2，l＝±3。

特别地，所述双环结构多模态OAM电磁涡旋波阵列天线工作在5.3GHz频段。

本实用新型提出的双环结构多模态OAM电磁涡旋波阵列天线能够产生性能良好的轨道角动量电磁涡旋波，可以在不增加带宽的情况下最大化的提高频谱利用率和系统容量。本实用新型可以实现在同一频点同时产生多种OAM模态的电磁涡旋波，适用于当下最流行的传统Wi-Fi、蓝牙无线通信。这种基于多模态轨道角动量阵列天线产生的OAM电磁涡旋波用于多路复用，可以在单个信道同时发送多个同轴数据流，达到显著增加系统容量并提高无线通信频谱效率的目的。同时，由于使用双环结构，本实用新型可以有效的改善电磁涡旋波信号的质量，提高其方向性以及增益，获得更好的天线性能。微带贴片天线具有造价低、材料易得、质量轻、体积小、低剖面、容易赋形和易集成等结构优点，本实用新型利用微带贴片天线作为阵元，也继承了微带贴片天线的诸多优点。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的双环结构多模态OAM电磁涡旋波阵列天线整体结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的微带贴片天线结构图；

图3为本实用新型实施例提供的双环结构多模态OAM电磁涡旋波阵列天线俯视结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的双环结构多模态OAM电磁涡旋波阵列天线主视结构示意图；

图5为高速射频开关结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容理解的更加透彻全面。需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1至4所示，本实施例中双环结构多模态OAM电磁涡旋波阵列天线100具体包括介质基板101、若干组阵元102以及与各阵元102对应的同轴馈线103和输入端口104，所述阵元102采用微带贴片天线；所述每组阵元102分别以各自设定间隔沿圆周均匀分布排列在所述介质基板101的一面，介质基板101的另一面附上金属薄层作为接地面105，所述输入端口104通过同轴馈线103连接对应阵元102。

在本实施例中所述双环结构多模态OAM电磁涡旋波阵列天线100包括16个阵元102，每组八个阵元102分别以半径为0.6λ和0.8λ沿圆周均匀分布排列在所述介质基板101上组成双环天线阵列，其中λ为天线阵列辐射波长。所述阵元102被馈送相同的信号，相邻两个阵元102间的相位差为45°；所述介质基板101的半径为天线阵列一倍波长。介质基板101的厚度为h＝2mm，采用FR4材料，介电常数和损耗角正切分别为ε＝4.4和δ＝0.02。

本实施例中双环结构多模态OAM电磁涡旋波阵列天线100工作在5.3GHz频率段，作为阵元102的微带贴片天线尺寸为12.722×17.224mm²，并采用同轴馈电方式，一般情况下，同轴转接器安装在印制电路板的背面，而同轴转接器的内导体接在贴片上，以便产生最好的匹配，大大简化天线设计的复杂度。双环结构多模态OAM电磁涡旋波阵列天线100工作时，对阵元102馈送相同的信号，但是各阵元102之间有相继连续的相位延迟，使得涡旋波束围绕轴线旋转一周后，相位增加2πl，可以通过改变阵元102之间馈电相位差来产生不同的OAM模态，其中l为产生的模态数。需要注意的是，双环结构多模态OAM电磁涡旋波阵列天线100中阵元102的数目决定所能产生的OAM模态的最大值，即满足-N/2＜l＜N/2，其中N是双环结构多模态OAM电磁涡旋波阵列天线100中阵元102的个数，本实施例中双环结构多模态OAM电磁涡旋波阵列天线100由16阵元102组成双环结构，故产生的模态数范围为（-4，4），即l＝0，l＝±1，l＝±2，l＝±3。

本实用新型提出的双环结构多模态OAM电磁涡旋波阵列天线100制作在一个相对介电常数为4.4和2mm厚FR4介质基板101。阵列半径r₁＝0.6λ，r₂＝0.8λ，保持阵列旁瓣在相对较低的水平，并为馈电网络提供更多的空间。对于一个n元OAM圆形相控阵，所有的辐射阵元都是馈送相同相移增量的信号。阵元102间的相移可以通过2πl/n计算，其中整数l是OAM模式的数量，这样围绕阵列轴线旋转，相位将递增2πl几何弧度。那么可以生成“扭曲”的OAM模式无线电波。

从OAM模态值分别为l＝0，l＝±1，l＝±2，l＝±3的无线电波束电场幅度分布情况可以看出，双环阵列天线产生的OAM波束具有空间螺旋相位结构特征，OAM模态分别为l＝0，l＝±1，l＝±2，l＝±3的空间螺旋相位波前结构清晰可见。当OAM模态数l＝0时，所有阵列单元馈送相同的零相移信号，这时阵列并没有螺旋相位波前，可以看作为一个均匀圆阵。当OAM模态数l＝+1时，这意味着在两个相邻阵元间的相位差为+45°，可以产生逆时针的螺旋相位波前；同理当l＝-1时，两个相邻阵元间的相位差为-45°，可以产生顺时针的螺旋相位波前。当OAM模态从±1提高到±3时，波束中心处的空区域将会扩大，其方向性也会随OAM模态数目的变化而变化。值得注意的是，当模态数增大到l＝±3时，电磁涡旋波束相位分布出现了不规则的变形，由于阵元的数目决定所能产生的OAM模态的最大值，即存在阵元数目的有限性，阵元数目一定，阵列能够产生的OAM模态整数值被限制在一定范围内，N个阵元的阵列天线理论上可生成OAM模式最大值L_max，可以通过公式-N/2＜l＜N/2得到。因此，产生的模态值越接近L_max，电磁涡旋波束相位分布变形越明显。从阵列天线的反射系数可以看出各阵元的谐振频率具有良好的一致性，阵元间的互耦效应相对较小，这表明阵列天线的10dB带宽覆盖5.2GHz～5.44GHz，谐振频率为5.3GHz。同时由阵列天线的电压驻波比仿真结果可以看出，在天线的工作频带5.2GHz～5.44GHz间，天线阵的电压驻波比均小于2，性能符合要求。当模态数为l＝0时，主瓣方向与天线阵阵面垂直，电磁能量主要被辐射到天线阵的轴线方向上。当OAM模态数为1时，辐射图的轴线方向上出现空洞，波束携带轨道角动量成为中空波束。随着模态数的增加，波束中空部分的面积也变大，旁瓣增大并发展成主瓣，阵列的方向性减弱，增益也会随之发生变化。离开阵面越远，空洞面积越大，说明随着传播距离的增加，波束会不断扩散。通过调整阵列半径和阵元数量等手段，可以在一定程度上改善波束的质量。实际上引入双环结构可改善波束的聚焦性能，使中空部分变小；而增加阵元数量可以提高波束质量外。

由于波束的相位结构基本不会随着传输距离的增加而改变，理论上由本实用新型所述的双环结构多模态OAM电磁涡旋波阵列天线产生的OAM波应该具有旋转对称性质，在辐射图上θ＝0°两侧的方向图函数值相等、曲线对称。然而不同OAM模态值E面和H面的仿真结果并没有严格对称，这是由阵元不理想导致的，因为作为阵元的矩形贴片不是理想的偶极子，而是具有一定尺寸的几何结构，由其辐射图可以看出，是非理想的梨形，不具备旋转对称性。这样的计算结果在一定程度上是反映了实际应用中可能会出现的问题。在传播方向上，各阶都朝传播方向上辐射能量，但是，高阶模态的辐射较前面几阶比较发散，并且从中间凹下去。当阵列OAM模态值分别为l＝0，l＝±1，l＝±2，l＝±3时，由贴片天线阵列E面和H面辐射模式图的变化情况可以看出，阵元数为N=16时，当l＝0时，主瓣在贴片天线阵列的轴线方向上（即Z轴），电磁能量主要是朝着垂直于阵列的方向上辐射，随着模态数目的增加，主瓣面积变小，旁瓣面积增加，所以在实际情形中，为了将更多的电磁能量集中辐射到主瓣方向上，需要兼顾主瓣和旁瓣水平，适当的选择OAM模态值和阵列半径就显得很重要。当l≠0时，辐射图在轴线方向上会出现空洞，并且模式数l越大，空洞也越大，而使用双环可以使波束变窄，从而在一定程度上减小空洞的大小，改变波束的方向性，从而进一步解释了OAM螺旋波束是中空波束，贴片天线阵列所辐射的电磁能量都集中到了绕轴线的圆环上，轴线附近是没有场存在的，或者说场变得很弱，这也是天线方向图在轴线方向上出现空洞的原因。通过引入双环结构，OAM电磁涡旋波的中空性质有了明显的改善，方向性有所增强。

根据OAM模态值分别为l＝0，l＝±1，l＝±2，l＝±3的不同数值下，双环结构多模态OAM电磁涡旋波阵列天线的增益的变化情况可知，在中心频率点附近，随角度的递进变化以及OAM模态值的变化，天线各模态最大增益在7-14dB，满足本实用新型对增益目标的实现要求。仔细观察增益曲线，增益有如此的带宽是在无馈电网络时天线阵列阻抗带宽很宽的结果，在5.2GHz-5.44GHz时，无馈电网络的天线匹配良好。而在其他频段，天线阵列失配，增益下降很明显，这是由于馈电方式引起的变化，在频率大约5.3GHz时，正好对应的是谐振频率，有相当一部分能量后向辐射引起增益变化。需要说明的是，微带天线的增益、带宽、方向图等多项技术指标是互相联系、互相影响的，设计中不可能全都满足，肯定存在顾此失彼的情况。提高微带阵列天线的性能，要从以上各个指标中，按工程需要找出一个平衡点。从对该天线的仿真分析，可以看到该阵列天线模型基本可以满足普通天线阵列的需求，也证实所实用新型的微带贴片天线阵列模型的实际可行性。

本实用新型的技术方案能够产生性能良好的轨道角动量电磁涡旋波，可以在不增加带宽的情况下最大化的提高频谱利用率和系统容量。本实用新型可以实现在同一频点同时产生多种OAM模态的电磁涡旋波，适用于当下最流行的传统Wi-Fi、蓝牙无线通信。这种基于多模态轨道角动量阵列天线产生的OAM电磁涡旋波用于多路复用，可以在单个信道同时发送多个同轴数据流，达到显著增加系统容量并提高无线通信频谱效率的目的。同时，由于使用双环结构，本实用新型可以有效的改善电磁涡旋波信号的质量，提高其方向性以及增益，获得更好的天线性能。微带贴片天线具有造价低、材料易得、质量轻、体积小、低剖面、容易赋形和易集成等结构优点，本实用新型利用微带贴片天线作为阵元，也继承了微带贴片天线的诸多优点。本实用新型具体优点如下：（1）可以产生携带多种模态轨道角动量的电磁涡旋波，其中所生成模态值分别为l＝0，l＝±1，l＝±2，l＝±3，携带不同OAM模态的信息可以在同一时间、同一频点进行无干扰传输，显著提高频谱利用率和系统容量。（2）相比传统天线，本实用新型天线性能好，可以有效的改善电磁涡旋波信号的质量，提高其方向性以及增益。（3）可以产生工作在5.3GHz的电磁涡旋波，适用于当下最流行的Wi-Fi、ZigBee、蓝牙频段，对本实用新型进行实验室仿真，得到阵列天线的增益、三维辐射图及方向图等特性参数，由仿真结果可以看出所本实用新型具有良好的性能表现。验证了本实用新型在实际通信系统中的可行性。（4）可以产生多种模态OAM电磁涡旋波信号，将多路携带OAM模态且具有极化特性的电磁波信号在同一频点上进行复用，并在同一时间进行信息传输，形成一种OAM空间复用方式，可以在不增加带宽的情况下实现系统容量的最大化，有效缓解当前日益增长的带宽需求同有限频谱资源之间的突出矛盾。

本实用新型将OAM技术、矩形微带贴片天线技术、高速射频开关技术、阵列天线设计技术统一运用于本实用新型中，实现在同一频点同时产生多种OAM模态的电磁涡旋波，适用于当下最流行的传统Wi-Fi、蓝牙无线通信。这种基于多模态轨道角动量阵列天线产生的OAM电磁涡旋波用于多路复用，可以在单个信道发送多个同轴数据流，达到显著增加系统容量和提高无线通信频谱效率的目的。下面对本实用新型用到的OAM技术、矩形微带贴片天线技术、高速射频开关技术、阵列天线设计技术详细说明如下：

一、OAM技术

1992年，Allen首次用实验证明了电磁波携带自旋角动量和轨道角动量。SAM与极化有关，OAM与空间相位有关。OAM的螺旋相位波束拥有一个方位角因子理想状态下，OAM具有无限制的l值，可正可负，正数表示左旋，负数表示右旋，即能提供无限量态的OAM阶数，并且彼此正交。将轨道角动量添加到电磁波上时，电磁波的相位波前将呈现出非平面的扭曲结构，可在其上调制所需的信息，提高电磁波的信息传递和信息获取能力。相位旋转因子决定了涡旋波束空间相位分布结构，不同OAM模态的涡旋波束的空间结构不同。与传统调制采用信号的幅度、相位、频率承载信息相比，轨道角动量是利用携带不同模态OAM的电磁涡旋波来承载信息，而极化调制方式是采用极化状态来承载信息。空间信号电磁场的角动量可以表示为

J=∫ε₀r×Re{E×B^*}dV （4-1）角动量可以分解为轨道角动量（OAM）和自旋角动量（SAM）

J=L+S （4-2）

其中

S＝ε₀∫Re{E^*×A}dV （4-4）

是轨道角动量算子，为虚数单位，A为矢量位函数。S表征的是电磁波的极化方式，L与电磁波空间相位分布有关。将轨道角动量应用在电磁波中，在正常的电磁波中添加一个相位旋转因子此时电磁波波前将不再是平面结构，而是绕着波束传播方向旋转，呈现出一种螺旋的相位结构，电磁涡旋波可表示为

其中，A(r)为电磁波的幅值，r表示到波束中心轴线的辐射距离，为方位角，l是轨道角动量的本征值。

携带轨道角动量的电磁涡旋波的抗干扰性，利用不同本征值的电磁涡旋波的正交特性实现抗干扰，可以在同一带宽内并行传输多路电磁涡旋波，在理论上不同OAM本征值的电磁涡旋波彼此之间不会产生信号干扰。由此，该电磁波信号f₁(t)和f₂(t)相互正交时应满足的条件

而具有不同本征态的OAM状态是彼此正交的，因为

如果OAM波束所携带的本征值不同，则对其乘积进行积分时结果为零，满足上述的条件，理论上在传输过程中OAM波束就不会产生干扰。例如：本征值分别为l₁和l₂的两个电磁涡旋波。

根据不同OAM本征值的电磁涡旋波之间相互正交的这一特性，可以将一组具有不同模态的OAM电磁波作为信号调制的正交基，将多路信号调制在不同OAM模态电磁波上，理想状态下利用OAM复用技术传递信息可以获得无穷大的通信系统传输能力。同时，利用这一特性在接收端用一组具有不同性质的滤波器可以实现分离和检测具有不同OAM模态的电磁波束。

二、矩形微带贴片天线技术方

设计天线的首要步骤是选定中心频率，本文设计的矩形微带贴片天线以f₀作为中心频率。

根据中心频率可以算出天线长度L，具体如下：

L_e＝λ_g/2 (4-10)

其中λ_g表示波导中的波长。

其中λ₀表示自由空间波长，ε_e表示有效介电常数。

其中ε_r表示介质的相对介电常数。

当介质基片的厚度和相对介电常数确定时，天线的有效介电常数取决于贴片的宽度。在天线安装尺寸的允许条件下贴片的宽度适当大一些对天线的带宽、效率和匹配都有利，但是宽度过大也会激励起高次模，从而引起场的畸变，影响天线的辐射天线。一般情况下，W由下式来确定：

矩形贴片天线的电场在两条辐射边之间呈余弦分布，两条辐射边在理论上间距应为λ_g/2，但实际上由于边缘场的影响应减去边缘效应带来了尺寸增加。所以，矩形微带天线的贴片长度L为：

C表示真空中的光速，f₀表示天线的工作频率，Δl为边缘效应带来的长度延伸，它与贴片宽度及基片的厚度和有效相对介电常数之间的关系为：

由公式（4-13）-（4-14）可以计算出微带天线大致的长度L，宽度W。

三、高速射频开关技术

在本实用新型中，双环结构多模态OAM电磁涡旋波阵列天线具有16个相同的阵元、等间距的圆形天线阵列，每环八个阵元，两环半径分别为通过圆形阵列的连续阵元间具有固定的相位差来生成OAM模态，其中l为需要产生的OAM模态值，N为阵元数。为了实现同一阵列在不同的拓扑荷之间自由切换，我可以用一个简单的射频开关取代阵列馈电网络中的相移分量，以形成一个时间开关阵列（TSA）。为了使得TSA产生OAM电磁波，阵列单元需要给出单位振幅和均匀相位的基本工作频率f₀；通过射频开关切换或激励圆形相控阵列中的阵元，阵列中每环的8个阵元被依次通电，且两环同半径位置的阵元馈电时间相同，使得每个阵元只接通T_S/8的时间，其中T_s是整体序列切换周期，并且T_s由射频开关的周期决定。因此，每环第1-8个阵元的辐射频率段分别为f₀+f_s,f₀+2f_s,f₀+3f_s…f₀+8f（其中f_s＝1/T_s）。

如图5所示，使用高速射频开关控制16个圆形相控阵列天线阵元，使其生成多个OAM辐射模式。引脚1提供电压，引脚2为控制输入端，引脚3是低电平有效的使能端，引脚8是连接PC端口，引脚10是编程/擦除电压端口，分别控制圆形相控阵列的8个天线阵元是射频开关的8个N/C，即：引脚4，5，6，7，11，12，13，14，当使能EN为低电平时，8个天线依次工作，开始工作时，引脚4先控制第一个阵子工作Ts/8；之后，第一个阵元停止工作，引脚5控制第二个阵元工作Ts/8；然后，第二个阵元停止工作，引脚6控制第三个阵阵元工作Ts/8；依次类推，依次循环。

Ts不同，产生的OAM模态不同。Ts的设置可通过PC机在线设置时序开关延时参数，实现控制负载的时序启动和关闭。用单片机作为主控制芯片，通过通信接口下载程序，实现顺序控制八路负载的开启和关闭。

四、阵列天线设计技术

目前，产生轨道角动量的装置目前主要有四种，分别是透射螺旋面、透射光栅、反射螺旋面和阵列天线，本实用新型主要研究通过天线阵列的方法产生携带OAM的电磁波。对于OAM模态值为l的波束，相位的偏移量可以由得出。对于这种相位偏移的产生，阵列的每一个阵元都需要给予某些特定的相位偏移。为了从一个阵列中获得电场的属性，我们可以使用阵列因子（AF），它依赖于位移（和阵列的形状）、相位、电流振幅和阵元的数目。所得到相同的天线总场为

Etotal＝E single element*AF (4-17)

利用对称性的属性，多个圆形网格面积相等扇区被选择。每个单独阵元的位置被给定。每个阵元中心的半径矢量为

阵元之间分开的角度

其中，m表示被放置的环阵元，n为所选环的位置。M是环的总数，N是每个环上阵元的总数量

电场表达式由下式给出

由2π的整数倍递增阶段中，每个天线阵元被馈送以相同的输入信号，阵元到阵元间具有连续的相位延迟2πl/N，其中l为阵列天线产生的OAM模态数，N为阵列天线的阵元个数，需要注意的是，阵列天线阵元的数目决定所能产生的OAM模态的最大值，即满足-N/2＜l＜N/2。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (4)

1.一种双环结构多模态OAM电磁涡旋波阵列天线，其特征在于，包括介质基板、两组阵元以及与各阵元对应的同轴馈线和输入端口，所述阵元采用微带贴片天线；所述两组阵元中每组包括八个阵元，两组阵元分别以半径为0.6λ和0.8λ沿圆周均匀分布排列在所述介质基板的一面上组成双环天线阵列，其中λ为双环天线阵列辐射波长，所述介质基板的另一面为接地面，所述输入端口通过同轴馈线连接对应阵元。

2.根据权利要求1所述的双环结构多模态OAM电磁涡旋波阵列天线，其特征在于，所述阵元被馈送相同的信号，相邻两个阵元间的相位差为45°；所述介质基板的半径为80.66mm。

3.根据权利要求2所述的双环结构多模态OAM电磁涡旋波阵列天线，其特征在于，所述双环结构多模态OAM电磁涡旋波阵列天线产生的OAM模态数l为：-4＜l＜4，即l＝0，l＝±1，l＝±2，l＝±3。

4.根据权利要求1至3之一所述的双环结构多模态OAM电磁涡旋波阵列天线，其特征在于，所述双环结构多模态OAM电磁涡旋波阵列天线工作在5.3GHz频段。