CN218569219U - 产生多模态oam波束的同心均匀圆环阵列和电子设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种产生多模态OAM波束的同心均匀圆环阵列和电子设备。一种产生多模态OAM波束的同心均匀圆环阵列包括：介质基板和分别设置于所述介质基板两侧的圆极化天线阵列和金属接地层，所述圆极化天线阵列包括由两个同心的UCA组成的CUCA，两个UCA分别包括四个和八个顺序旋转角度的圆极化阵元；所述圆极化天线阵列中的每个阵元通过穿过所述介质基板的馈线与馈电端口连接，所述圆极化天线阵列中的每个UCA分别产生OAM模态不同的涡旋电磁波。本实用新型实施例的技术方案，能够在高频段产生多模态的OAM波束。

Description

产生多模态OAM波束的同心均匀圆环阵列和电子设备

技术领域

本实用新型实施例涉及天线技术，尤其涉及一种产生多模态OAM波束的同心均匀圆环阵列和电子设备。

背景技术

随着智能终端的普及以及移动互联网应用的蓬勃发展，越来越多的移动设备投入使用，移动设备的信号通过无线信道传输，这对无线信道的容量和频谱利用率提出的更高的要求。传统的调制技术，使用频率、时间、码型和空间等资源作为自由度，根据香农公式，信道容量的增加是信噪比增加的对数，理论上增加发射功率使其接近无穷大或不断减小噪声功率让其接近无噪声状态都可以提高频谱效率，但是这种方法在实际的通信系统中不可实现，并且频谱资源是有限的。为了进一步提升系统容量以及频谱效率，满足未来移动数据业务需求，就需要探索新的技术。而轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)将载波携带的OAM模式作为新的调制参数，OAM电磁涡旋波在不增加带宽的情况下，可以极大的提高系统容量，这也使得多模态OAM电磁涡旋波的复用技术成为目前无线通信领域研究的热点。

然而现有产生OAM波束的方法大都只能产生低阶OAM模态，其应用受到限制，此外，目前设计的OAM天线大多分布在C波段、X波段、Ku波段，仍然存在频带拥挤的问题。在第五代移动通信(5th Generation，5G)中，已经在30GHz～300GHz的毫米波频段进行技术研发试验，毫米波通信不仅可以实现大容量信息传输，还可以有效减小天线尺寸，因此在高速发展的信息时代，开发一种将毫米波与OAM相结合的通信技术将有效缓解频谱资源紧张的问题。

实用新型内容

本实用新型提供一种产生多模态OAM波束的同心均匀圆环阵列和电子设备，能够在高频段产生多模态的OAM波束。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种产生多模态OAM波束的同心均匀圆环阵列，包括：

介质基板和分别设置于所述介质基板两侧的圆极化天线阵列和金属接地层，所述圆极化天线阵列包括由两个同心的UCA组成的CUCA，两个UCA分别包括四个和八个顺序旋转角度的圆极化阵元；

所述圆极化天线阵列中的每个阵元通过穿过所述介质基板的馈线与馈电端口连接，所述圆极化天线阵列中的每个UCA分别产生OAM模态不同的涡旋电磁波。

在第一方面一种可能的实现方式中，每个所述圆极化天线阵列中的每个阵元为圆极化贴片天线。

在第一方面一种可能的实现方式中，所述圆极化天线阵列中的每个阵元为六边形结构。

在第一方面一种可能的实现方式中，每个UCA中的至少四个阵元依次旋转90度排布。

在第一方面一种可能的实现方式中，所述圆极化天线阵列包括两个UCA，位于内侧的UCA包括四个阵元，位于外侧的UCA包括八个阵元。

在第一方面一种可能的实现方式中，所述馈线为同轴探针。

在第一方面一种可能的实现方式中，所述圆极化天线阵列的工作频段位于毫米波频段。

在第一方面一种可能的实现方式中，当所述圆极化天线阵列包括两个同心的UCA时，所产生的涡旋电磁波的OAM模态分别为-1、-2。

在第一方面一种可能的实现方式中，不同OAM模态的涡旋电磁波相互正交。

第二方面，本实用新型实施例提供一种电子设备，包括：如第一方面任一种可能的实现方式的产生多模态OAM波束的同心均匀圆环阵列。

本实用新型实施例提供的产生多模态OAM波束的同心均匀圆环阵列和电子设备，利用圆极化天线组成的阵列，有效解决了在高频段产生OAM涡旋电磁波和OAM系统复杂的难题。

附图说明

图1为一种OAM天线的示意图；

图2为另一种OAM天线的示意图；

图3a和图3b为本实用新型实施例提供的一种产生多模态OAM波束的同心均匀圆环阵列的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的一种产生多模态OAM波束的同心均匀圆环阵列的一个阵元的结构示意图；

图5为不同模式数的电磁涡旋波相位图；

图6a和图6b为利用基于有耗环形理论建立的圆环相控阵列天线模型示意图；

图7为均匀同心圆环示意图；

图8为圆极化阵元等效模型示意图；

图9是双圆环的S参数仿真结果；

图10为本实用新型的产生多模态OAM波束的同心均匀圆环阵列远场辐射图；

图11为本实用新型提供的产生多模态OAM波束的同心均匀圆环阵列相位分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

当平面波中存在着类似于晶体的“螺旋式涡旋”时，波前会绕在传播方向上的一条线以螺旋方式旋转，形成螺旋形的波前，这非常类似于流体中的涡旋现象。

轨道角动量涡旋的研究起源于光学理论，携带OAM的电磁波就是电磁涡旋波，电磁涡旋波的产生是通过在正常电磁波上添加一个与空间方位角

相关的旋转相位因子

将正常电磁波转变为电磁涡旋波，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，可以表示为：

其中，A(r)表示正常电磁波的幅度值，r为到波束中心轴线的辐射距离，

为方位角，l为轨道角动量的模态值。

根据经典电动力学理论，电磁辐射可以同时携带能量以及动量，动量包括线动量和角动量。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(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。而轨道角动量是与光子的空间分布相关，无论在光学领域还是在无线电领域中，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。

但近几年的最新研究成果表明，轨道角动量已经不仅仅局限在光领域内，也可以应用在无线电领域中。而在无线通信中，具有不同模态值的电磁涡旋波是相互正交的，利用这一特性，可以在同一带宽内并行传输多路电磁涡旋波，理论上讲，具有不同模态值的电磁涡旋波相互之间不会产生干扰。由此，可以在不改变带宽的情况下，传输多路携带信息的电磁涡旋波，极大地提高频谱利用率。

目前，结合轨道角动量在相关领域中的研究进展，在光学中产生OAM波束的方法有很多，比如螺旋相位板(Spiral Phase Plate，SPP)、空间光调制器(Spatial LightModulator，SLM)、计算干涉型全息图法以及超平面等方法，但上述许多的OAM波束产生方法很难应用于微波段的无线通信中。在微波段产生OAM波束的主流方法有三种，一种是螺旋抛物面天线，可以通过改变抛物面天线开槽处的高度产生所需模态的OAM波束；另一种是环形槽线OAM天线，需要搭配一个加载90°相移器的威尔金森功分器，还有一种就是阵列天线(即相位/时间控制方法)，通过控制相邻阵元间的馈电相位差产生不同OAM模态的电磁涡旋波束。

2011年，Thide等人通过使用天线赋形的方式产生OAM电磁涡旋波。通过螺旋抛物面天线产生模态值l＝1的涡旋电磁波，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

如图1所示，图1为一种OAM天线的示意图。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。产生的OAM模态数取l决于开槽处两端高度h，两者关系为h＝λl/2，λ为波长。这种OAM螺旋抛物面天线虽然结构原理与制作过程相对简单，但是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，一个确定的几何高度只能产生一种模态的OAM电磁波，不能在同一天线产生多种OAM模态，如果需要产生多种不同的OAM波束，则必须重新调整开槽处两端高度h，重新对天线开槽高度进行设计。这种方法显然无法满足广泛应用在实际无线通信系统中的需求。

除了通过上述天线赋型形式产生携带OAM的电磁波，还可以通过改变阵元激励的相位关系来改变发生器所工作的OAM状态，即构成偶极子天线阵列结构，这种结构相对容易实现，同时也可以较好的实现产生多模态OAM的要求，如图2所示，图2为另一种OAM天线的示意图。偶极子天线阵列是产生携带OAM波束的一种方法，利用电磁波的干涉和叠加原理，将若干辐射单元排列成阵列，通过调整各阵元辐射场之间的相位差，使辐射能量在空间中重新分配，令某些区域的场增强而其它区域的场减弱，从而获得单个天线所不能达到的方向性。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的OAM模态。但是这种偶极子阵列天线半径高达几米到几十米，在进行阵列布置时需要极小的误差才能产生预期的模态值，同时如此大的尺寸在进行阵列天线调整时也极其复杂，对适用场所条件要求较为苛刻，在实际通信系统中应用价值并不高。

在微波段中，许多人还采用微带阵列天线的方式来产生OAM电磁涡旋波，主要是将上述的偶极子阵元换为微带天线并激励相位来改变产生的OAM状态，在同一微带阵列天线实现多种OAM模态电磁涡旋波的功能。然而，尺寸小、辐射效率高才是OAM阵列天线使用时考虑的主要因素。利用微带阵列天线产生OAM波束时，由于辐射阵元是微带贴片，其在低频段天线几何尺寸大，不易实现小型化；高频段金属欧姆损耗又高，辐射效率低。

图3a和图3b为本实用新型实施例提供的一种产生多模态OAM波束的同心均匀圆环阵列的结构示意图，如图3a和图3b所示，本实施例提供的产生多模态OAM波束的同心均匀圆环阵列包括：

介质基板31和分别设置于所述介质基板31两侧的圆极化天线阵列32和金属接地层(图中为示出)，所述圆极化天线阵列32包括由两个同心的均匀圆环阵列(UniformCircular Array，UCA)组成的同心均匀圆环阵列(Concentric Uniform Circular Array，CUCA)，两个UCA中分别包括四个和八个顺序旋转角度的圆极化阵元34。其中图3a示出位于内侧的多个阵元34组成的一个UCA，图3b示出两个同心的UCA组成的CUCA。

所述圆极化天线阵列32中的每个阵元34通过穿过所述介质基板31的馈线与馈电端口(馈线和馈电端口图中未示出)连接，所述圆极化天线阵列32中的每个UCA分别产生OAM模态不同的涡旋电磁波。

介质基板31所使用材料的介电常数和尺寸可以根据天线所需性能选择。例如介质基板31可以采用介电常数ε_s＝2.2的RT5880，介质基板31可以为圆形。金属接地层覆盖于介质基板31上与圆极化天线阵列32相对一侧，金属接地层可以为覆铜层。馈线可以为穿过介质基板31上的同轴线或同轴探针，馈电端口为设置于介质基板31位于金属接地层一侧，且馈电端口通过馈线与圆极化天线阵列32的每个阵元34连接。

圆极化天线阵列32中的每个阵元34可以为圆极化贴片天线的结构，也就是说，每个阵元34为一个圆极化的金属贴片，每个阵元34与介质基板31和金属接地层组成一个圆极化贴片天线的结构。位于同一圆周上的多个阵元34构成一个UCA。图4为本实用新型实施例提供的一种产生多模态OAM波束的同心均匀圆环阵列的一个阵元的结构示意图。如图4所示，阵元34为六边形结构。更具体地，阵元34可以由一个正方形通过切角得到。其中正方形的边长为L，切角为ch。

在一实施例中，每个UCA中的至少四个阵元依次旋转90度排布。例如图3a所示，将四个矩形切角贴片逆时针旋转90度放置在直径为R1的介质基板的上方，即可得到一个UCA。该UCA就能够激发单模态的OAM波束。

再入图3b所示，在图3a的基础上，八个矩形切角贴片逆时针旋转90度放置在直径为R2的介质基板的上方，即可得到另一个UCA。两个UCA共同组成一个CUCA。也即共12个阵元34组成一个CUCA。那么位于直径为R1的圆环上的UCA能够激发一个模态的OAM波束，位于直径为R2的圆环上的UCA能够激发另一个模态的OAM波束。为了保证各阵元34的正常工作，所述金属接地层的尺寸大于所述圆极化天线阵列32的最大尺寸。在一个具体实施例中，图3b所示阵列可以同时产生工作在Ka波段的l＝-1，-2的OA波束。为了实现天线阵列的紧凑性，R1为4毫米(mm)，R2为11mm，金属接地层的直径R3为17mm。

在一实施例中，圆极化天线阵列32激发的不同OAM模态的涡旋电磁波相互正交。

进一步地，本实用新型实施例中的圆极化天线阵列32的工作频段可以位于毫米波频段。与传统微波天线相比，圆极化天线阵列中的每个阵元通过依次旋转角度产生相位差，无需移相器，极大地简化了OAM天线的系统复杂度，并在此基础上将轨道角动量(OAM)这种新的频谱复用资源与毫米波技术相结合，进一步开拓OAM在毫米波频段地应用前景。

本实用新型实施例提供的产生多模态OAM波束的同心均匀圆环阵列采用圆极化贴片天线产生携带多种模态轨道角动量的涡旋电磁波，该天线在工作频段内能够产生l＝-1，-2的OAM涡旋电磁波，可显著提高无线通信的频谱利用率和系统容量。本实用新型提出了利用圆极化贴片天线组成天线阵列生成轨道角动量(OAM)这种新的天线技术，有效解决了在高频段产生OAM涡旋电磁波和OAM系统复杂的难题。本实用新型的超宽带OAM涡旋电磁波天线在高频段可产生多种模态的OAM波束；同时各模态的OAM波束具有良好的旋转性和对称性。对本实用新型进行实验仿真，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实用新型阵列天线具有良好的性能表现。在毫米波频段出产生OAM波束时，其能量集中性基本保持一致，这在一定程度上说明了此OAM天线的可行性和有效性。

下面对本实用新型实施例提供的产生多模态OAM波束的同心均匀圆环阵列在至少两个不同频点分别产生OAM模态不同的涡旋电磁波的原理进行详细说明。

从OAM技术物理机理方面：

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的涡旋电磁波来承载信息，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：

角动量可以分解为轨道角动量(OAM)

和自旋角动量(SAM)

其中：

是轨道角动量算子，

为虚数单位，

为矢量位函数。

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，ε₀为介电常数，

为电场强度，

为电磁感应强度。

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，涡旋电磁波可表示为：

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。具有不同本征值的电磁涡旋波是相互正交的，例如：本征值分别为l₁和l₂的两个电磁涡旋波，仅当l₁＝-l₂时，

而当l₁≠-l₂时，

这说明具有不同本征值的电磁涡旋波是相互正交的。利用不同本征值的电磁涡旋波的正交特性，可以在同一频带内并行传输多路电磁涡旋波信息，理论上具有不同本征值的电磁涡旋波相互之间不会产生干扰。

对于OAM技术图形机理方面：

从本质上讲，OAM电磁涡旋波就是由普通电磁波添加一个相位旋转因子产生，当电磁涡旋波携带信息之后，在空中传播的电磁涡旋波可以表示为：

其中，S(t)表示传递的信息数据。受旋转相位因子的影响，电磁波的相位波前由平面结构转化成螺旋结构的电磁涡旋波，其空间结构在波束传播方向上进行旋转，旋转一周波束的相位改变

轨道角动量的方向，总是与电磁波的传播方向垂直。图5为不同模式数的电磁涡旋波相位图，l＝0表示模式数为0的电磁涡旋波，其相位面为平面，并不具有轨道角动量，但当模式数发生改变，电磁波产生涡旋，此时的电磁波便携带轨道角动量。l＝±1时，电磁波相位面便呈现出涡旋状，从传输方向进行观察，能够观察到其相位面在一个周期内旋转了360°，携带1阶的OAM。l＝±2时，从传输方向能够观察到其相位面在一个周期内旋转了720°，携带2阶的OAM。

正常电磁波其相位平面是没有螺旋特性的，而发射天线的功能是将电磁波的相位平面产生扭曲，数学形式上表示为添加一个特殊的相位因子，使得原本正常的电磁涡旋波发生扭曲，相位平面图为螺旋状。在接收天线处，将携带轨道角动量的电磁涡旋波相位反向变换为正常的电磁波。电磁涡旋波有个优点就是，拓扑荷或模式数不同的电磁涡旋波在数学上是相互正交。利用这个特性，可以实现在同一频率上同时传输多路不通模式数的电磁涡旋波，提高信道利用率。

上面阐述了OAM技术的原理，下面对圆环相控阵列天线技术的原理进行介绍介质谐振器的辐射特性可以等效为电偶极子或者磁偶极子，将WGM等效为磁偶极子或者电偶极子，图6a和图6b为基于有耗环形理论建立的圆环相控阵列天线模型示意图。参照图6a，多个相同的单元天线沿半径为a的圆周均匀排列成圆环阵列并位于x-y平面上，对于每个单元天线的激励要特殊设置。第n个单元天线的激励相位为

(φ_n为第n个单元天线的激励电流的相位角，

为第n个单元天线的空间相位角)。

是观察点P在x-y轴的映射与x轴的夹角。θ为观察点P与垂直平面的法向量之间的夹角。圆环阵列的电流分布为

观察点P在球坐标系下的坐标表示为

电流分布在均匀介质中产生的辐射电磁场可表示为

式中，μ为磁导率，A称为磁矢量位，它满足下列达朗贝尔方程

假设单元天线为偶极子天线，电流密度J沿Z向线分部为zJ_z(z')，分布线长为L，则在远场观察点P解可求得为

式中，源点到场点的距离R表示为

R＝|r-r'|

线电流形成的辐射场具有积分的表达形式，实际上是无穷多个部分求和叠加的结果，这就是干涉与叠加原理在电磁波辐射问题上的体现。若把电流分布线或者电流分布面离散成总数为N个小部分的和，则积分就可以写为求和的形式，公式变为：

由上式可知，总辐射场的磁矢量位等同于N个辐射场磁矢量的叠加，因此表示的总辐射电磁场E和H也是由N个部分叠加表示为：

实际中天线上的连续的电流所激发出的远场波瓣图在效果上等同于多个小部分的电流所激发出的波瓣图。因此这些离散的电流所激发的辐射波瓣图等同于实际天线上的连续电流分布所激发出的辐射波瓣图。设第n个单元在远场观察点

为：

其中，因子

表示由于各单元的空间位置z_n不同，使辐射电磁波在观察角

产生的相对相位。根据叠加原理，此线阵在观察点产生的场等于各单元在观察点产生场的矢量和。

上式可看做是能适用于各种坐标分量的一般表达式。这个阵列的方向图因子：

为阵因子，由相同的单元天线

组成阵列方向图函数。

将单元因子和阵因子均采用归一化形式，则上式又可写为：

所以阵列天线的方向图因子等于单元因子与阵因子的乘积。

可见阵元天线的远场辐射特性只是阐释了构成阵列天线的单个阵元天线的参数。阵元天线自己的形式及取向决定了这种特殊的现象，所以单个阵元天线的特性与阵列天线的特性没有影响。可以说，阵列天线之间的形状，间距，激励电流的幅度和相位共同决定了阵因子，也就是阵元天线和阵列天线两者的辐射特性是没有关系的，两者互不影响。而阵因子对于阵列天线的作用是至关重要的。

根据波瓣图乘法原理，具有N元偶极子的圆环阵列天线的电磁场表达式

其中

各阵元的空间位置和激励电流相位往往决定阵因子，λ表示波长。阵因子可以进一步化简为：

当阵元个数N足够大时，

将从离散变化的变量转变为连续变化的积分变量

即

同时如果N足够大，两个偶极子阵元的角度差

将会变为微小量

于是，无穷级数转变为定积分，即式

因为表达式

的洛朗展开式为

将t替换为

上式变为

很显然，上式

是傅里叶展开式，根据傅里叶系数表达式可以得到

因此，阵因子可进一步变为：

根据波瓣图乘法原理，圆环形阵列天线的电磁场表达式为

显然，表达式中有关于方位角相关相位项

这是涡旋波的基本特征，涡旋波的电磁场表达式与光学领域的拉盖尔－高斯光束具有相应一致的相位项，e^-jkr表示相位与距离有关的项，

是阵列天线在空间中的电磁场的幅度大小，其表达式与俯仰角，电流，半径和波长等有关系。所以经过推导圆环阵列天线在理论上可以产生OAM电磁涡旋波，如图6b所示。

图7为均匀同心圆环示意图，在叠加之前，每个OAM模式的馈电振幅应该是相等的，由此，叠加的电场可以表示为

其中

是每个模式的初始相位，

是不同OAM模式的标准化电场。

进一步地对圆极化阵元进行研究：

图8为圆极化阵元等效模型示意图，如图8所示，4个左圆极化(left circularpolarization，LHCP)单元分别记为阵元1-4，其中一个圆表示其各个方向电场的恒定大小。不同方向的红色、黄色、蓝色和紫色箭头分别表示其电场的相位为0、π/2、π和3π/2。阵元1-4分别顺时针旋转0°、90°、180°和270°，顺时针顺序排列成UCA。

采用圆极化阵元天线组成的UCA电场为：

其中：

表示顺序旋转的旋转因子。此外

E_unit＝(1,-jsAR)^T

为第一个单元的圆极化波，s是圆极化模式，左旋圆极化(LHCP)s＝+1，右旋圆极化(RHCP)s＝-1，AR为轴比，为第n个单元的方位角，用k为载频波数，r为UCA的半径。理想情况下，如果各个单元的AR值为1，则叠加的电场应为

天线的S参数能够准确反映电磁波传递过程中的反射情况。将两个4路和8路的功率分配器分别连接到内环和外环的馈电端口，分别表示为端口L-1和L-2，对各个阵元馈以等辐等相位的信号。图9是双圆环的S参数仿真结果，可以看到当激励内环天线元件时，S参数在-10dB处的相对带宽为25.2％，当激励外环天线元件时，S参数在-10dB处的相对带宽为27.7％。

同时，我们研究了该天线的远场图，图10为本实用新型的产生多模态OAM波束的同心均匀圆环阵列远场辐射图。图10(a)和图10(b)分别为l＝-1，-2是不同模态下的3D远场辐射图，图10(c)和图10(d)分别是l＝-1，-2的二维方向图。在二维方向图中可以看到，在0°和180°处，即轴线传播方向，阵列增益急剧下降，电磁波辐射能量很低，能够证明该阵列有OAM波束的产生。同时可以看出双模态UCA的二维远场方向图相比较单模态的二维远场方向图不够对称，这是因为两个环之间存在互偶关系，两个环会相互影响，导致天线阵列辐射不均，图10(a)和图10(b)的三维增益图同样呈现该现象，这也说明同心圆环的数量不能无限增多，可产生的OAM模态数量是有限的，同时要精确调整圆环半径，尽量减小耦合的同时控制天线尺寸。由三维远场增益图可以看到，l＝-1时的增益为9.03dBi，l＝-2时的增益为8.28dBi。

天线的空间辐射相位分布是OAM最重要的特性之一，也是本实用新型的重要性能指标之一，如果该天线辐射出的电磁波在空间中具有螺旋相位分布，那么就可以认为该天线辐射的电磁波携带OAM。图11为本实用新型提供的产生多模态OAM波束的同心均匀圆环阵列相位分布示意图。为了清晰地显示并观测所产生的涡旋光束在空间中的螺旋相位分布，本实用新型在模拟仿真时设置了的观测面位于XOZ平面，一个尺寸为75mm×75mm的正方形区域。由相位分布图可以看到，涡旋的中心正好与+x方向对齐，表明电场强度在天线中心处接近于零。从相位分布图得到了OAM无线电波的旋转相位波前，涡旋电磁波在传播时，若其相位波前绕波束轴旋转一周，相位改变2π，该模式定义为1；相位改变4π，该模式定义为2，依次类推。该天线生成的2种OAM波束，空间螺旋相位波前结构清晰可见，符合OAM涡旋电磁波的螺旋相位结构特征，由仿真结果可以看出，本实用新型实施例提供的天线阵列产生的OAM涡旋电磁波具有良好的旋转性，即说明本实用新型实施例提出的产生多模态OAM波束的同心均匀圆环阵列可以很好地产生2种独立的OAM波束，可用于多路复用、信道调制和信息传输。

本实用新型实施例还提供一种电子设备，包括：射频收发信机和如上述任一实施例的产生多模态OAM波束的同心均匀圆环阵列。

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 (9)

1.一种产生多模态OAM波束的同心均匀圆环阵列，其特征在于，包括：

介质基板和分别设置于所述介质基板两侧的圆极化天线阵列和金属接地层，所述圆极化天线阵列包括由两个同心的均匀圆环阵列UCA组成的同心均匀圆环阵列CUCA，两个UCA分别中包括四个和八个顺序旋转角度的圆极化阵元；

所述圆极化天线阵列中的每个阵元通过穿过所述介质基板的馈线与馈电端口连接，所述圆极化天线阵列中的每个UCA分别产生OAM模态不同的涡旋电磁波。

2.根据权利要求1所述的产生多模态OAM波束的同心均匀圆环阵列，其特征在于，每个所述圆极化天线阵列中的每个阵元为圆极化贴片天线。

3.根据权利要求2所述的产生多模态OAM波束的同心均匀圆环阵列，其特征在于，所述圆极化天线阵列中的每个阵元为六边形结构。

4.根据权利要求3所述的产生多模态OAM波束的同心均匀圆环阵列，其特征在于，每个UCA中的至少四个阵元依次旋转90度排布。

5.根据权利要求1所述的产生多模态OAM波束的同心均匀圆环阵列，其特征在于，所述圆极化天线阵列包括两个UCA，位于内侧的UCA包括四个阵元，位于外侧的UCA包括八个阵元。

6.根据权利要求1所述的产生多模态OAM波束的同心均匀圆环阵列，其特征在于，所述馈线为同轴探针。

7.根据权利要求1所述的产生多模态OAM波束的同心均匀圆环阵列，其特征在于，所述圆极化天线阵列的工作频段位于毫米波频段。

8.根据权利要求1～7任一项所述的产生多模态OAM波束的同心均匀圆环阵列，其特征在于，不同OAM模态的涡旋电磁波相互正交。

9.一种电子设备，其特征在于，包括：如权利要求1～8任一项所述的产生多模态OAM波束的同心均匀圆环阵列。

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