[發(fā)明專利]一種基于多臂螺旋結(jié)構(gòu)的電磁渦旋發(fā)生器

有效

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• 申請日: 2018-11-13
• 公開（公告）號: CN109546319B
• 公開（公告）日: 2022-03-15
• 發(fā)明（設計）人: 張哲源;宗顯政;文成綱;綦鑫;陳正天;聶在平;班永靈
• 申請（專利權(quán)）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01Q1/38
• 分類號: H01Q1/38;H01Q1/50;H01Q1/12;H01Q1/48
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 吳姍霖

一種基于多臂螺旋結(jié)構(gòu)的電磁渦旋發(fā)生器，屬于OAM無線通信技術(shù)領(lǐng)域。所述發(fā)生器包括多臂螺旋輻射結(jié)構(gòu)、饋電結(jié)構(gòu)和輔助結(jié)構(gòu)；所述輻射結(jié)構(gòu)包括位于介質(zhì)基板之上的N個相同的旋臂，所述N個旋臂以360°/N的角度沿介質(zhì)基板的中心線呈旋轉(zhuǎn)對稱分布，N為大于1的正整數(shù)；所述饋電結(jié)構(gòu)包括一個N路等分功分器、N個移相器、N根同軸饋線和地板；所述輔助結(jié)構(gòu)位于輻射結(jié)構(gòu)的正下方，用于支撐輻射結(jié)構(gòu)。本發(fā)明電磁渦旋發(fā)生器可以通過控制多臂螺旋天線各旋臂之間的饋電相位差，用同一副天線產(chǎn)生攜帶不同模式軌道角動量的電磁波，用于無線通信；且產(chǎn)生的軌道角動量電磁波的輻射性能好，后向輻射弱；結(jié)構(gòu)簡單緊湊，易加工且便于調(diào)試。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于OAM無線通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于多臂螺旋結(jié)構(gòu)的電磁渦旋發(fā)生器。

背景技術(shù)

現(xiàn)如今，隨著用于信息交換的無線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，移動終端普及率逐漸上升，移動互聯(lián)網(wǎng)呈現(xiàn)出爆炸式發(fā)展趨勢。在移動通信中，電磁頻譜不僅具有開放性，同時具有有限性，使得如何通過提高頻譜效率成為了推動現(xiàn)代通信技術(shù)持續(xù)不斷發(fā)展的動力。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，無線業(yè)務流量以每年接近100％的速度增長，這意味著未來10年，無線數(shù)據(jù)流量將增長1000倍。為滿足不斷增長的移動數(shù)據(jù)業(yè)務需求，迫切需要更高速、更高效、更智能的新一代無線移動通信技術(shù)，進一步提升系統(tǒng)容量以及頻譜利用率。

在不拓展可利用頻譜帶寬的情況下提高頻譜利用率問題的指引下，近幾年，微波波段的軌道角動量電磁渦旋技術(shù)逐漸成為研究熱點。1992年，荷蘭物理學家L.Allen發(fā)現(xiàn)拉蓋爾-高斯分布的激光束擁有軌道角動量，并預言了一套修正過的光學系統(tǒng)可將高階數(shù)的拉蓋爾-高斯光束轉(zhuǎn)換為高階數(shù)的赫米特-高斯光束。2004年，英國格拉斯哥大學天文物理系Gibson等人首次提出將軌道角動量應用于光通信，并證實了利用不同的軌道角動量狀態(tài)實現(xiàn)多信道獨立調(diào)制同頻傳輸。根據(jù)麥克斯韋方程，電磁波不僅能傳播能量還能傳播動量，傳播的動量可分為線性動量(linear momentum)與角動量(angular momentum)，而角動量又分為旋轉(zhuǎn)角動量(spin orbital momentum)與軌道角動量(orbital angularmomentum)。在量子力學中，角動量是基本的物理量，旋轉(zhuǎn)角動量(SAM)與量子的自旋有關(guān)，在光學中對應光的偏振，在電磁學中對應電磁波的極化方式。而軌道角動量(OAM)描述螺旋波束橫向旋轉(zhuǎn)模式的空間坐標維度，垂直于坡印亭矢量方向。

與已有的復用技術(shù)不同，軌道角動量電磁渦旋復用技術(shù)能夠?qū)⑤d波所攜帶的軌道角動量模式作為調(diào)制參數(shù)，并且利用軌道角動量模式內(nèi)在的正交性，將多路信號調(diào)制到不同的軌道角動量模式上，根據(jù)模式數(shù)或稱拓撲電荷數(shù)區(qū)分不同的信道。通過這種方式，人們在相同載頻上可以得到多個相互獨立的軌道角動量信道。由于軌道角動量在理論上可以擁有無窮維階數(shù)，因而可以構(gòu)成無窮維的希爾伯特空間，由此理論上同一載波頻率利用軌道角動量電磁渦旋復用可獲得無窮的傳輸能力。

目前，軌道角動量電磁波的生成多為單模態(tài)形式，同一副天線也大多只能生成同一種模態(tài)。如公開號為CN107706518A的專利申請中只能產(chǎn)生模態(tài)為2的軌道角動量電磁波；公開號為CN107104279A的專利申請中同一頻率下也只能產(chǎn)生模態(tài)單一的軌道角動量波束，在同一結(jié)構(gòu)下無法實現(xiàn)模態(tài)的調(diào)控，且后向輻射強，大大限制了其廣泛應用；公開號為CN204966687U的專利申請中，同一副天線結(jié)構(gòu)雖然可以實現(xiàn)不同模態(tài)的調(diào)控，但天線陣每個陣元之間需要保持一定距離，結(jié)構(gòu)不夠緊湊。因此，設計一種能夠生成多種模態(tài)、結(jié)構(gòu)緊湊且單向輻射性能好的電磁渦旋發(fā)生器對于未來移動通信具有極大的價值。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對背景技術(shù)存在的缺陷，提出一種基于多臂螺旋結(jié)構(gòu)的電磁渦旋發(fā)生器。該發(fā)生器能產(chǎn)生多種模態(tài)的軌道角動量電磁波，根據(jù)旋臂個數(shù)N由饋電相位差控制從而產(chǎn)生輻射性能好、后向輻射弱、絕對值為1到N階的軌道角動量電磁波。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：