本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種雙模式復(fù)用的渦旋電磁波天線。

背景技術(shù)：

隨著無線通信技術(shù)的高速發(fā)展，為滿足日益增長的移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求，需要發(fā)展更多新的無線移動通信技術(shù)。1992年，allen等人證明了lg螺旋光波攜帶有相位因子而每個光子具有的軌道角動量。其中，l為拓?fù)浜梢卜Qoam的模式數(shù)，并且理論上l的取值范圍是無窮的且不同模式之間相互正交，為方位角，h為普朗克常數(shù)。軌道角動量(orbitalangularmomentum,oam)技術(shù)因其有望作為一個新的復(fù)用維度以在不增加系統(tǒng)帶寬的情況下，有效地提高系統(tǒng)容量而受到越來越多的關(guān)注。

目前對軌道角動量技術(shù)的研究重心主要集中在如何產(chǎn)生渦旋電磁波。螺旋相位板，陣列天線等不同形式均被證明可以用來產(chǎn)生渦旋電磁波。其中陣列天線由于其靈活性好，方便制作等優(yōu)點被廣泛采用。b.thidé等人證明攜帶oam的波束可以由n陣元相控圓形陣列來產(chǎn)生，該天線陣列必須滿足每個陣元的激勵幅度相同，相鄰陣元相位差為這樣既可在垂直于天線平面的方向產(chǎn)生模式數(shù)為l的渦旋電磁波。雖然目前的研究中已提出了許多不同的oam天線形式，但大部分的天線形式只能產(chǎn)生一種模式的渦旋電磁波。為了更好的利用渦旋電磁波不同模式之間的正交性，充分發(fā)揮其優(yōu)點，只傳輸單個模式的渦旋電磁波天線必定是不夠的，因此對多個模式的渦旋電磁波復(fù)用天線的研究具有十分重要的意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供了一種雙模式復(fù)用的渦旋電磁波天線，解決現(xiàn)有的雙模式復(fù)用的渦旋電磁波天線體積大，不易集成技術(shù)問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種雙模式復(fù)用的渦旋電磁波天線，包括：

第一饋電結(jié)構(gòu)，用于將一路上電磁波信號分為n2個幅度相等順時針方向相位依次相差2πl(wèi)1/n2的上功分電磁波輸出；

第一天線陣列，其為n3個呈圓周陣列排布的天線，與第一饋電結(jié)構(gòu)位于同一平面，在所述上功分電磁波激勵下發(fā)射模式數(shù)為l1的渦旋電磁波；

第一介質(zhì)層，其上表面與第一天線陣列下表面接觸，同時與第一饋電結(jié)構(gòu)下表面接觸；

接地層，其上表面與第一介質(zhì)層下表面接觸；

第二介質(zhì)層，其上表面與接地層的下表面接觸；

第二饋電結(jié)構(gòu)，其上表面與第二介質(zhì)層下表面接觸，用于將一路下電磁波信號分為n5個幅度相等順時針方向相位依次相差2πl(wèi)2/n5下功分電磁波輸出；

第二天線陣列，其為n6個呈圓周陣列排布的天線，其上表面與第二介質(zhì)層下表面接觸，與第二饋電結(jié)構(gòu)位于同一平面，在所述下功分電磁波激勵下發(fā)射模式數(shù)為l2的渦旋電磁波；

第一天線陣列中任意天線所在位置與第二天線陣列中任意天線所在位置不重合，n2為上功分電磁波的數(shù)量，n3為第一天線陣列中天線數(shù)量，n5為下功分電磁波的數(shù)量，n6為第二天線陣列中天線數(shù)量，n2的數(shù)值和n3的數(shù)值相同，n5的數(shù)值和n6的數(shù)值相同。

優(yōu)選地，第一天線陣列中天線數(shù)量和第二天線陣列中天線數(shù)量相同，當(dāng)?shù)谝惶炀€陣列中天線在投影平面的投影與第二天線陣列中天線在投影平面的投影相鄰時，第一天線陣列中天線與第二天線陣列中天線的角度為

優(yōu)選地，第一天線陣列中所有天線沿半徑方向呈圓周陣列排布，且第一天線陣列中兩個相鄰天線之間的夾角2π/n3，為第二天線陣列所有天線沿半徑方向呈圓周陣列排布，且第二天線陣列中兩個相鄰天線之間的夾角2π/n6。

優(yōu)選地，第一天線陣列和第二天線陣列的長度均為λ0/4，其中，λ0為工作頻率對應(yīng)的自由空間波長。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果：

1、本發(fā)明提供的雙模式復(fù)用的渦旋電磁波天線中，由第一饋電結(jié)構(gòu)、第一天線陣列、第一介質(zhì)層和接地層構(gòu)成發(fā)射模式數(shù)為l1的渦旋電磁波系統(tǒng)，由第二饋電結(jié)構(gòu)、第二天線陣列、第二介質(zhì)層和接地層構(gòu)成發(fā)射模式數(shù)為l2的渦旋電磁波系統(tǒng)，第一天線陣列中任意天線與第二天線陣列中任意天線不重合，降低兩個天線系統(tǒng)之間的干擾，實現(xiàn)發(fā)射雙模式的渦旋電磁波。

2、與現(xiàn)有的渦旋電磁波的復(fù)用天線相比，本發(fā)明提供的雙模式復(fù)用的渦旋電磁波天線為多層結(jié)構(gòu)疊加的形式，即第一天線陣列、第一介質(zhì)層、接地層、第二介質(zhì)層以及第二天線陣列由上至下依次排列，具有體積小易生產(chǎn)，平面化，易集成的優(yōu)點，方便操作，使用簡單。

3、通過讓第一天線陣列中天線與第二天線陣列中天線的角度為使得第一天線陣列中任意的天線與第二天線陣列中任意的天線不重合，降低兩個天線系統(tǒng)之間的干擾，使得雙模式復(fù)用的渦旋電磁波天線能夠同時發(fā)射的模式數(shù)為l1的渦旋電磁波和模式數(shù)為l2的渦旋電磁波。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的雙模式復(fù)用的渦旋電磁波天線的側(cè)視圖；

圖2為本發(fā)明提供的雙模式復(fù)用的渦旋電磁波天線的俯視圖；

圖3為本發(fā)明提供的雙模式復(fù)用的渦旋電磁波天線的仰視圖；

圖4為本發(fā)明提供的雙模式復(fù)用的渦旋電磁波天線實施例中僅第一饋電結(jié)構(gòu)輸入端輸入電磁波信號時所發(fā)射電磁波特性圖，其中，(a)為電磁波傳播方向上的遠(yuǎn)場電場方向圖，(b)為電磁波傳播方向上的某一平面電場，(c)為電磁波傳播方向上的某一平面電場相位圖；

圖5為本發(fā)明提供的雙模式復(fù)用的渦旋電磁波天線實施例中僅第二饋電結(jié)構(gòu)輸入端輸入電磁波信號時所發(fā)射電磁波特性圖，其中，(a)為電磁波傳播方向上的遠(yuǎn)場電場方向圖，(b)為電磁波傳播方向上的某一平面電場，(c)為電磁波傳播方向上的某一平面電場相位圖。

具體實施方式

為了更清楚明白的描述本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點，以下結(jié)合附圖及具體實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式所涉及到的技術(shù)特征中，只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

本發(fā)明提供的雙模式復(fù)用的渦旋電磁波天線，該渦旋電磁波天線包括第一介質(zhì)層、第一饋電結(jié)構(gòu)、第一天線陣列、第二介質(zhì)層、第二饋電結(jié)構(gòu)、第二天線陣列以及接地層。接地層的上表面與第一介質(zhì)層的下表面接觸，接地層的下表面與第二介質(zhì)層的上表面接觸。第一饋電結(jié)構(gòu)和第一天線陣列均位于第一介質(zhì)層的上表面，第一饋電結(jié)構(gòu)具有1個輸入端和n1個輸出端，且n1個輸出端呈圓周陣列排布，用于將電磁波分為n2個上功分電磁波，按順時針方向?qū)2個上功分電磁波記為第1個上功分電磁波、第2個上功分電磁波、……、第n2個上功分電磁波，n2個上功分電磁波的功率相同，第i個上功分電磁波相位與第i+1個上功分電磁波相位相差2πl(wèi)1/n2，其中，1≤i≤n2-1，i為上功分電磁波的次序，l1為雙模式復(fù)用的渦旋電磁波天線的第一模式數(shù)，n1為第一饋電結(jié)構(gòu)輸出端數(shù)量，n2為上功分電磁波數(shù)量。第一天線陣列為具有n3個呈圓周陣列排布的天線，且第一天線陣列中兩個相鄰天線之間的夾角2π/n3，其中，n1的數(shù)值、n2的數(shù)值以及n3的數(shù)值均相等，第一天線陣列位于接地層所包含區(qū)域的外部，一個天線與第一饋電結(jié)構(gòu)的一個輸出端連接。

第二饋電結(jié)構(gòu)和第二天線陣列均位于第二介質(zhì)層下表面，第二饋電結(jié)構(gòu)具有1個輸入端和n4個輸出端，n4個輸出端呈圓周陣列排布，用于將電磁波分為n5個下功分電磁波輸，n5個下功分電磁波的功率相同，按順時針方向?qū)5個下功分電磁波記為第1個下功分電磁波、第2個下功分電磁波、……、第n5個下功分電磁波，n5個下功分電磁波的功率相同，第j個下功分電磁波相位與第j+1個下功分電磁波相位相差2πl(wèi)2/n5，其中，1≤j≤n5-1，j為下功分電磁波的次序，l2為雙模式復(fù)用的渦旋電磁波天線的第二模式數(shù)，且第一模式數(shù)與第二模式數(shù)不同，n4為第二饋電結(jié)構(gòu)輸出端數(shù)量，n5為下功分電磁波的數(shù)量。第二天線陣列為具有n6個呈圓形陣列排布的天線，且第二天線陣列中兩個相鄰天線之間的夾角2π/n6。其中，n4的數(shù)值、n5的數(shù)值以及n6的數(shù)值均相等。第二天線陣列位于接地層所包含區(qū)域的外部，一個天線與第二饋電結(jié)構(gòu)的一個輸出端連接，且第一天線陣列中任意天線所在位置與第二天線陣列中任意天線所在位置不重合。

本發(fā)明提供的雙模式復(fù)用的渦旋電磁波天線，第一饋電結(jié)構(gòu)輸出n2路上功分電磁波，n2路上功分電磁波的功率相同，且第i個上功分電磁波相位與第i+1個上功分電磁波相位相差2πl(wèi)1/n2，n2路上功分電磁波進(jìn)入第一天線陣列，第一天線陣列發(fā)射模式數(shù)為l1的渦旋電磁波，同理，第二饋電結(jié)構(gòu)輸出n5路下功分電磁波，n5路下功分電磁波的功率相同，且第j個下功分電磁波相位與第j+1個下功分電磁波相位相差2πl(wèi)2/n5，n5路下功分電磁波進(jìn)入第二天線陣列，第二天線陣列發(fā)射模式數(shù)為l2的渦旋電磁波，第一天線陣列中任意天線所在位置與第二天線陣列中任意天線所在位置不重合，第一天線陣列不會遮擋第二天線陣列，第二天線陣列不會遮擋第一天線陣列，降低兩個不同模式天線系統(tǒng)之間的干擾，進(jìn)而實現(xiàn)該渦旋電磁波天線輸出兩個渦旋電磁波。

若僅在上述雙模式復(fù)用的渦旋電磁波天線的第一饋電結(jié)構(gòu)輸入電磁波，不在第二饋電結(jié)構(gòu)輸入電磁波，則上述雙模式復(fù)用的渦旋電磁波天線輸出模式數(shù)為l1的渦旋電磁波，若僅在上述雙模式復(fù)用的渦旋電磁波天線的第二饋電結(jié)構(gòu)輸入電磁波，不在第一饋電結(jié)構(gòu)輸入電磁波，則上述雙模式復(fù)用的渦旋電磁波天線輸出模式數(shù)為l2的渦旋電磁波。

本發(fā)明提供的雙模式復(fù)用的渦旋電磁波天線在實現(xiàn)雙模式復(fù)用的同時，具有結(jié)構(gòu)形式簡單，體積小，易生產(chǎn)，平面化，易集成的優(yōu)點，且可以在現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)任意模式復(fù)用。

本發(fā)明提供的雙模式復(fù)用的渦旋電磁波天線實施例中，第一天線陣列中第一天線陣列中天線數(shù)量n3和第二天線陣列中天線數(shù)量n6相同，當(dāng)?shù)谝惶炀€陣列中天線在投影平面的投影與第二天線陣列中天線在投影平面的投影相鄰時，投影平面為平行于天線陣列所在平面的任意平面，第一天線陣列中天線與第二天線陣列中天線的角度為以實現(xiàn)第一天線陣列中任意天線所在位置與第二天線陣列中任意天線所在位置不重合。

圖1為本發(fā)明提供的雙模式復(fù)用的渦旋電磁波天線實施例的側(cè)視圖，該雙模式復(fù)用的渦旋電磁波天線包括第一介質(zhì)層11、第一饋電結(jié)構(gòu)12、第一天線陣列13、第二介質(zhì)層21、第二饋電結(jié)構(gòu)22、第二天線陣列23以及接地層30，第一饋電結(jié)構(gòu)12和第一天線陣列13位于第一介質(zhì)層11的上表面，第二饋電結(jié)構(gòu)22和第二天線陣列23位于第二介質(zhì)層21的下表面，接地層上表面與第一介質(zhì)層11下表面接觸，接地層下表面與第二介質(zhì)層21上表面接觸。

圖2為本發(fā)明提供的雙模式復(fù)用的渦旋電磁波天線的俯視圖，第一饋電結(jié)構(gòu)12為虛線圓所包含的微帶電路部分，該第一饋電結(jié)構(gòu)12有8個輸出端和1個輸入端，電磁波由第一饋電結(jié)構(gòu)12的輸入端121輸入，第二饋電結(jié)構(gòu)12的8個輸出端均勻分布于圓周上，8個輸出端用于輸出8路上功分電磁波，從順時針方向8個上功分電磁波記為第1上功分電磁波、第2上功分電磁波、……、第8個上功分電磁波，8個上功分電磁波功率相等，且第i上功分電磁波相位與第i+1上功分電磁波相位相差45°，第一陣列天線為8個呈圓周陣列排布的長度為λ0/4的天線，λ0為工作頻率對應(yīng)的自由空間波長，一個天線與第一饋電結(jié)構(gòu)12的一個輸出端連接。

圖3為本發(fā)明提供的雙模式復(fù)用的渦旋電磁波天線的仰視圖，第二饋電結(jié)構(gòu)12為虛線圓所包含的微帶電路部分，該第二饋電結(jié)構(gòu)22有8個輸出端和1個輸入端，電磁波由第二饋電結(jié)構(gòu)22的輸入端221輸入，第二饋電結(jié)構(gòu)22的8個輸出端均勻分布于圓周上，8個輸出端用于輸出8路下功分電磁波，從順時針方向8個下功分電磁波記為第1下功分電磁波、第2下功分電磁波、……、第8個下功分電磁波，8個下功分電磁波功率相等，且第j下功分電磁波相位與第j+1下功分電磁波相位相差-45°，第二陣列天線為8個呈圓周陣列排布的長度為λ0/4的天線，且第二陣列天線相對于第一天線陣列旋轉(zhuǎn)20°，即當(dāng)?shù)谝惶炀€陣列中天線與第二天線陣列中天線相鄰時，第一天線陣列中天線與第二天線陣列中天線相差20°，避免第一天線陣列與第二天線陣列相互遮擋，一個天線與第二饋電結(jié)構(gòu)12的一個輸出端連接。

第一介質(zhì)層與第二介質(zhì)層材料均為fr4，fr4的相對介電常數(shù)εr為4.4，第一介質(zhì)層與第二介質(zhì)層呈圓形，且二者尺寸相同，厚度h為0.5mm，半徑r為95mm。第一介質(zhì)層圓心與第二介質(zhì)層圓心重合，第一饋電結(jié)構(gòu)與第二饋電結(jié)構(gòu)在接地層所包含區(qū)域內(nèi)部，第一天線陣列與第二天線陣列在接地層所包含區(qū)域外部。第一饋電結(jié)構(gòu)、第二饋電結(jié)構(gòu)、第一天線陣列以及第二天線陣列材料均為銅，第一饋電結(jié)構(gòu)中窄微帶線寬度w1＝1.6mm，第一饋電結(jié)構(gòu)中寬微帶線寬度w2＝2.45mm，第二饋電結(jié)構(gòu)中窄微帶線寬度w3＝1.6mm，第二饋電結(jié)構(gòu)中寬微帶線寬度w4＝2.45mm，第一天線陣列中天線長度l1＝31.25mm，第二天線陣列中天線長度l2＝31.25mm，接地層材料為銅，接地層厚度t為0.035mm，接地層半徑r為58mm。

本發(fā)明提供的雙模式復(fù)用的渦旋電磁波天線，當(dāng)?shù)谝火侂娊Y(jié)構(gòu)的輸入端和第二饋電結(jié)構(gòu)的輸入均饋入電磁波信號時，可在f＝2.4ghz處同時產(chǎn)生模式1和模式-1的渦旋電磁波，實現(xiàn)了兩個不同模式的渦旋電磁波的復(fù)用，利用不同模式之間渦旋電磁波的正交性，可以在同一個頻率下簡單方便的發(fā)射兩路不同的電磁波信號。

當(dāng)電磁波信號從第一饋電結(jié)構(gòu)的輸入端饋入時，電磁波信號經(jīng)過第一饋電結(jié)構(gòu)在八個輸出端口處產(chǎn)生幅度相等順時針方向相位依次相差45°的輸出信號，再經(jīng)過第一天線陣列，即可產(chǎn)生模式數(shù)l＝1的渦旋電磁波。

當(dāng)電磁波信號從第二饋電結(jié)構(gòu)的輸入端饋入時，電磁波信號經(jīng)過第二饋電結(jié)構(gòu)在八個輸出端口處產(chǎn)生幅度相等順時針方向相位依次相差-45°的輸出信號，再經(jīng)過第二天線陣列，即可產(chǎn)生模式數(shù)l＝-1的渦旋電磁波。

圖4為本發(fā)明提供的雙模式復(fù)用的渦旋電磁波天線實施例中僅第一饋電結(jié)構(gòu)輸入端輸入電磁波信號時所發(fā)射電磁波特性圖，其中，(a)為電磁波傳播方向上的遠(yuǎn)場電場方向圖，(b)為電磁波傳播方向上的某一平面電場，(c)為電磁波傳播方向上的某一平面電場相位圖；從圖4可以看到清晰的渦旋相位分布，其方向圖與相位分布均與單模式情況吻合。雙模式復(fù)用的渦旋電磁波天線可以輸出模式數(shù)為1的渦旋電磁波。

圖5為本發(fā)明提供的雙模式復(fù)用的渦旋電磁波天線實施例中僅第二饋電結(jié)構(gòu)輸入端輸入電磁波信號時所發(fā)射電磁波特性圖，其中，(a)為電磁波傳播方向上的遠(yuǎn)場電場方向圖，(b)為電磁波傳播方向上的某一平面電場，(c)為電磁波傳播方向上的某一平面電場相位圖。從圖5可以看到清晰的渦旋相位分布，其方向圖與相位分布均與單模式情況吻合。雙模式復(fù)用的渦旋電磁波天線可以輸出模式數(shù)為-1的渦旋電磁波。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。