基于金屬環(huán)形腔的產(chǎn)生射頻oam的環(huán)形行波天線的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于金屬環(huán)型腔可產(chǎn)生射頻軌道角動量波束的環(huán)形行波天線。主體結構為頂面沿著圓周開一縫隙的金屬環(huán)形腔，金屬環(huán)形腔相距1/4圓周處開兩個口接金屬波導作為天線的雙源激勵端口，當這兩個激勵端口中輸入同頻率，相位相差±90°的微波源，金屬環(huán)形腔中的電磁場成繞圓周順時針或者逆時針傳播的行波分布。金屬環(huán)形腔頂面的縫隙則構成一種環(huán)形行波天線。合理設計金屬環(huán)型腔的尺寸和開縫位置，可實現(xiàn)微波導波模式與OAM模式的轉換，在空間中形成不同l階數(shù)射頻OAM波束的發(fā)射。本發(fā)明設計利用常規(guī)的金屬波導實現(xiàn)平面射頻波導結構的OAM波束發(fā)射，對于方興未艾的射頻高速OAM通信具有非常重要的意義。
【專利說明】基于金屬環(huán)形腔的產(chǎn)生射頻OAM的環(huán)形行波天線
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于OAM無線通信【技術領域】，涉及一種基于金屬環(huán)形腔的產(chǎn)生射頻OAM的環(huán)形行波天線。
【背景技術】
[0002]隨著全球進入移動互聯(lián)網(wǎng)時代，移動通信業(yè)務的頻譜缺口日益嚴重。由于低頻段的優(yōu)質頻譜資源十分有限，僅通過劃分新頻譜難以滿足移動通信的新需求。在這種情況下，發(fā)展新技術以提高比特/赫茲的使用效率顯得尤為重要。目前，人們在基于電磁波的頻譜、相位、振幅等維度以擴大信息容量資源方面進行了大量的研究，如提高頻譜利用率新型智能無線通信技術——認知無線電；提高單個載波的頻譜效率的信號的高階相干調制，使頻譜效率比串行系統(tǒng)提高近一倍的多載波技術，以及既可增加頻譜效率又成倍增加信道容量的MMO通信技術等等。顯然基于頻譜、相位、振幅這些維度的容量資源已經(jīng)得到較為充分的開發(fā)和利用。雖然在這些維度的漸進式擴容還可以繼續(xù)進行，但是要實現(xiàn)幾個數(shù)量級的大幅度擴容，已經(jīng)沒有足夠空間。因此，尋找新的物理參數(shù)維度實現(xiàn)電磁波通信技術，在有限頻譜資源內(nèi)滿足通信容量呈數(shù)量級增長的需求，是一個重大科學和技術挑戰(zhàn)。軌道角動量(OAM)無線通信就是在這個契機應運而生。
[0003]電磁波不僅具有能量，而且還有軌道角動量，軌道角動量是電磁波的基本物理屬性，反映電磁波圍繞傳播方向軸的方位角方向的相位變化參數(shù)。對于任意頻率的電磁波，全部OAM波束構成一組相互正交的、數(shù)目無限多的本征模式。OAM通信就是利用OAM模式這一組電磁波本征模式的階數(shù)(取值1)，作為新的可供調制或復用的參數(shù)維度資源，即利用不同I值代表不同編碼狀態(tài)或不同信息通道，從而開辟進一步提高頻譜效率的新途徑。由于I值具有無限取值范圍，理論上OAM通信可能具有無限增加電磁波承載信息量的潛力。
[0004]目前利用射頻OAM這一參數(shù)維度應用于無線通信領域尚處于起步階段，大多數(shù)研究側重于理論分析，開發(fā)和研制不同階數(shù)射頻OAM波束的產(chǎn)生、復用及相關器件是驗證OAM波自由空間信道特性，實現(xiàn)射頻OAM無線通信系統(tǒng)的基礎。迄今為止，大多數(shù)OAM波束產(chǎn)生方法均來自于2007年Thide等設計的圓環(huán)陣列天線思路，但是該方法產(chǎn)生的OAM波束的階數(shù)受到圓環(huán)陣列天線數(shù)量的限制。假設圓環(huán)陣列天線的個數(shù)為N，其所產(chǎn)生的OAM波束階數(shù)I必須小于N/2，且該方法不利于OAM波束的復用。因此，一種簡單易行的、利用成熟的波導技術實現(xiàn)射頻導波模式向射頻OAM模式的轉換器件，對于加快和促進未來的射頻OAM高速通信具有非常實用的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種可產(chǎn)生射頻OAM波束的基于金屬環(huán)形腔的環(huán)形行波天線及基于此天線結構的射頻OAM波束復用器件。
[0006]本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是:
[0007]本發(fā)明實現(xiàn)一種基于金屬環(huán)形腔的可產(chǎn)生射頻軌道角動量(OAM)波束的環(huán)形行波天線。其主體結構為一個頂面沿著圓周開縫的金屬環(huán)形腔。金屬環(huán)形腔可看成由矩形波導彎折而成，工作在TEltl模式，其側面高度為矩形波導的寬邊a，頂面寬度為矩形波導的窄邊b，開縫處設在窄邊的中間，環(huán)形腔的周長為矩形波導的縱向長度，金屬環(huán)型腔沿圓周的傳
播常數(shù)相當于矩形波導的縱向傳播常數(shù)kz。在金屬環(huán)型腔側面相距1/4圓周處開兩個
口接金屬波導作為雙源激勵端口，當這兩個激勵端口中輸入同頻率，相位相差±90°的微波源，金屬環(huán)形腔中的電磁場成繞圓周順時針或者逆時針傳播的行波分布，金屬腔頂面開縫處構成一種環(huán)形行波天線，向空間輻射電磁波。合理設計金屬環(huán)型腔的尺寸，使得金屬環(huán)
型腔沿圓周的傳播常數(shù)^?滿足R為開縫圓環(huán)半徑，則可實現(xiàn)微波導波模式向OAM模
式的轉換，在空間中形成階數(shù)為±1的OAM波束的發(fā)射。I的正負符號取決于雙源激勵端口的相位差是+90°還是-90° ο
[0008]在本發(fā)明提供的基于金屬環(huán)形腔可發(fā)射射頻OAM波束的環(huán)形行波天線基礎上，可以進一步設計射頻OAM波束的復用器件。對這種基于金屬環(huán)形腔的環(huán)形行波天線，要在空
間中要形成階數(shù)為I的OAM波束的發(fā)射，金屬環(huán)型腔沿圓周的傳播常數(shù)?-必須滿足/€#=/，R為開縫圓環(huán)半徑。金屬環(huán)型腔沿圓周的傳播常數(shù)(矩形波導的縱向傳播常數(shù)kz)，工作
在TEltl模式時，k2 =Jk2^1-)2，a為矩形波導的寬邊?？梢?，OAM波束的階數(shù)I與矩形波導
I a
的寬邊以及開縫半徑均有關系，合理設計矩形波導的寬邊或者開縫半徑，可以實現(xiàn)不同階數(shù)OAM波束的發(fā)射。把多個發(fā)射不同階數(shù)OAM波束的金屬環(huán)型腔結構相集成，就可以在空間中形成多個不同階數(shù)OAM波束的發(fā)射，實現(xiàn)射頻OAM波束的復用。
[0009]本發(fā)明與【背景技術】相比具有的有益效果是:
[0010]本發(fā)明針對具有巨大潛力的OAM無線通信系統(tǒng)，提出了一種簡單可行的可產(chǎn)生射頻OAM波束的基于金屬環(huán)形腔的環(huán)形行波天線結構，并在此基礎上提供了一種射頻OAM波束復用器件。該發(fā)明對于構建OAM無線通信系統(tǒng)，加快OAM無線通信的實用化，具有非常重要的意義。與【背景技術】中常用的圓環(huán)陣列天線實現(xiàn)OAM波束產(chǎn)生方法相比，本發(fā)明不受限于陣列天線個數(shù)，可實現(xiàn)任意階數(shù)射頻OAM波束的產(chǎn)生。而且，本發(fā)明中采用2端口同頻，相位相差90°的激勵，在金屬環(huán)型腔開縫處很容易使得相位滿足exp(//i/?)的分布，構成可
發(fā)射OAM波束的環(huán)形行波天線，避免了利用圓環(huán)陣列天線產(chǎn)生OAM方法中需要對每個陣列單元的相位進行精確控制。另外，基于此結構，很容易實現(xiàn)天線的集成，在空間中形成多個不同階數(shù)射頻OAM波束的發(fā)射，從而實現(xiàn)OAM波束的復用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是環(huán)形行波天線結構示意圖；
[0012]圖2是本發(fā)明基于金屬環(huán)形腔的環(huán)形行波天線結構圖；
[0013]圖3是本發(fā)明環(huán)形行波天線兩激勵端口中輸入同頻相位相差90度時腔內(nèi)的電場呈行波分布；
[0014]圖4是本發(fā)明的環(huán)形行波天線在空間輻射的電場相位分布圖；
[0015]圖5是基于本發(fā)明環(huán)形行波天線的集成結構實現(xiàn)的射頻OAM波束復用器件圖；。[0016]圖6結構緊湊的基于底饋環(huán)形行波天線結構實現(xiàn)的射頻OAM波束復用器【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖對本發(fā)明做進一步詳述:
[0018]1.基于環(huán)形行波天線的射頻OAM波束的產(chǎn)生機理
[0019]任何一種天線，不管是電型源天線還是磁型源天線，只要它的空間分布呈圓環(huán)形，圓環(huán)繞Z軸對稱，圓環(huán)上各點激勵源幅度一致，相位沿圓環(huán)圓周各點連續(xù)變化，滿足?χρ(?φ)的分布，其中φ.是圓周角，I為整數(shù)，可為正，亦可為負，如圖1所示，這種天線稱為環(huán)形行波天線。經(jīng)過電磁數(shù)值計算，這類環(huán)形行波天線在空間中的輻射可產(chǎn)生具有螺旋相位exp(/7爐)的I階OAM波束。
[0020]2.基于金屬環(huán)形腔的環(huán)形行波天線產(chǎn)生射頻OAM波束的驗證
[0021]圖2給出了本發(fā)明的基于金屬環(huán)形腔可產(chǎn)生射頻OAM波束的的環(huán)形行波天線結構圖。天線主體結構為一個頂面開一圓環(huán)縫隙I的金屬環(huán)形腔2，金屬環(huán)型腔可看成由矩形波導彎折而成，工作在TEltl模式，其側面高度為矩形波導的寬邊a，頂面寬度為矩形波導的窄邊b，開縫處設在窄邊的中間，環(huán)形腔的周長為矩形波導的縱向長度，金屬環(huán)型腔沿圓
周的傳播常數(shù)相當于矩形波導的縱向傳播常數(shù)kz，
【權利要求】
1.基于金屬環(huán)形腔的產(chǎn)生射頻OAM的環(huán)形行波天線，其特征在于:包括一個頂面沿著圓周開縫的金屬環(huán)形腔，金屬環(huán)形腔由矩形波導彎折而成，工作在TEltl模式；其側面高度為矩形波導的寬邊a，頂面寬度為矩形波導的窄邊&開縫處設在窄邊的中間位置，金屬環(huán)形腔的周長為矩形波導的縱向長度，金屬環(huán)形腔沿圓周的傳播常數(shù)&相當于矩形波導的縱向傳播常數(shù)叢；在金屬環(huán)形腔側面相距1/4圓周處開有兩個口接金屬波導作為雙源激勵端口，當這兩個激勵端口中輸入同頻率，相位相差±90°的微波源，金屬環(huán)形腔中的電磁場成繞圓周順時針或者逆時針傳播的行波分布，開縫處向空間輻射電磁波，構成一種環(huán)形行波天線； 調整金屬環(huán)形腔的尺寸，使得金屬環(huán)形腔沿圓周的傳播常數(shù)&滿足^/=7，為開縫圓環(huán)半徑，I為整數(shù)，此時的金屬環(huán)形腔可實現(xiàn)微波導波模式與OAM模式的轉換，在空間中形成階數(shù)為±7的OAM波束的發(fā)射，I的正負符號取決于雙源激勵端口的相位差是+90°還是 _90。 ο
2.基于環(huán)形行波天線的集成結構構成的OAM波束復用器件，其特征在于:包括多個如權利要求1所述的環(huán)形行波天線，多個環(huán)形行波天線為層疊同軸設置，實現(xiàn)不同階數(shù)OAM波束的發(fā)射。
3.基于環(huán)形行波天線的集成結構構成的OAM波束復用器件，其特征在于:包括多個如權利要求1所述的環(huán)形行波天線，多個環(huán)形行波天線為嵌套同軸設置，每個環(huán)形行波天線側面兩個開口調整至底面，實現(xiàn)不同階數(shù)OAM波束的發(fā)射。
【文檔編號】H01Q7/00GK103474777SQ201310433782
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月22日 優(yōu)先權日:2013年9月22日
【發(fā)明者】鄭史烈, 章獻民, 池灝, 金曉峰 申請人:浙江大學