[發明專利]一種超寬帶OAM渦旋電磁波天線

在審

• 申請號: 201811415852.1
• 申請日: 2018-11-26
• 公開（公告）號: CN109301505A
• 公開（公告）日: 2019-02-01
• 發明（設計）人: 孫學宏;常偉;劉麗萍
• 申請（專利權）人: 寧夏大學
• 主分類號: H01Q21/22
• 分類號: H01Q21/22;H01Q21/20;H01Q1/36;H01Q1/48;H01Q1/50;H01Q5/10;H01Q5/25;H01Q5/28
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 孟金喆

本發明公開一種超寬帶OAM渦旋電磁波天線，包括介質基板、若干陣元以及與各陣元對應的同軸饋電端口，所述陣元采用半圓柱介質諧振器天線；所述陣元沿圓周等距排列在所述介質基板的一面，介質基板的另一面附上金屬薄層作為接地面，所述同軸饋電端口通過同軸探針連接對應陣元。本發明解決了OAM天線在高頻微波段難以實現寬頻帶和多頻段工作的問題，有效地提高了頻帶利用率，對OAM復用技術在微波射頻領域的發展具有重要的意義。

技術領域

本發明涉及無線通信領域，尤其涉及一種超寬帶OAM渦旋電磁波天線。

背景技術

目前人們接觸的大部分信息都是通過無線信道進行交換和傳輸。智能終端的普及以及移動互聯網應用的蓬勃發展，越來越多的移動設備投入使用，對信道容量和頻譜利用率提出了更高的要求。但傳統的調制技術，使用頻率、時間、碼型和空間等資源作為自由度，它們的調制維度是有限的。所以為了進一步提升通信系統容量和頻譜效率，滿足未來移動通信的需求，就需要探索新的技術。而軌道角動量(orbital angular momentum，OAM)將載波攜帶的OAM模式作為新的調制參數，利用其不同OAM模式之間的正交性進行信息傳輸可以有效地提高通信系統的容量和效率。OAM渦旋電磁波的復用技術可以在同一頻點下實現多路信號的同時傳輸，對解決頻譜利用率低、頻譜資源短缺等問題提供了一定的研究價值。

目前，結合軌道角動量(OAM)在相關領域中的研究進展，在光學中產生OAM 波束的方法有很多，比如螺旋相位板(SPP)、空間光調制器(SLM)、計算機輔助全息圖(CGH)以及全息板(HP)等方法，但上述許多OAM波束產生的方法很難應用于微波段的無線通信中。在微波段產生OAM渦旋電磁波的主要方法有三種，一種是螺旋拋物面天線，可以通過改變拋物面天線開槽處的高度產生所需模態的OAM波束；另一種是環形槽線OAM天線，需要搭配相移器和威爾金森功分器去實現OAM波束的產生；還有一種就是陣列天線(即相位/時間控制方法)，通過控制相鄰陣元間的饋電相位差產生不同OAM模態的渦旋電磁波束。2011年，Thide等人通過使用天線賦形的方式產生OAM渦旋電磁波。通過螺旋拋物面天線產生模態值l＝1的渦旋電磁波，這種天線是將拋物面天線扭曲成螺旋拋物面結構，形成連續的相位梯度，在物理上模擬了空間方位角的相位旋轉產生的OAM模態數取l決于開槽處兩端高度h，兩者關系為h＝λl/2。這種 OAM螺旋拋物面天線雖然結構原理與制作過程相對簡單，但是實驗中所采用的螺旋拋物面天線是一種單一固定結構，不適用于連續相位控制，一個確定的幾何高度只能產生一種模態的OAM波束，不能在同一天線產生多模態的OAM波束，如果需要產生多種不同的OAM波束，則必須重新調整開槽處兩端高度h，重新對天線開槽高度進行設計，這種方法不能滿足廣泛應用于實際微波通信系統中的需求。

除了利用上述螺旋拋物面天線產生OAM渦旋電磁波的方法，還可以通過改變陣元的激勵相位關系來改變天線工作的OAM模態，即構成偶極子天線陣列結構。這種結構相對容易實現，同時也可以較好的實現多模態OAM波束的要求。偶極子天線陣列是產生攜帶OAM信號波束的一種方法，利用電磁波的干涉和疊加原理，將若干輻射陣元排列成圓陣，通過調整各陣元輻射場之間的相位差，使輻射能量在空間中重新分配，令某些區域的場增強而其它區域的場減弱，從而獲得單個天線所不能達到的方向性。利用這種原理通過改變陣元之間饋電相位差的方式就可以產生不同的OAM模態。但是這種偶極子陣列天線半徑高達幾米到幾十米，在進行陣列布置時需要極小的誤差才能產生預期的模態值，同時如此大的尺寸在進行陣列天線調整時也極其復雜，對適用場所條件要求較為苛刻，在實際通信系統中應用價值并不高。在微波段中，許多人還采用微帶陣列天線的方式來產生OAM渦旋電磁波，主要是將上述的偶極子陣元換為微帶天線并激勵相位來改變產生的OAM模態，在同一微帶陣列天線實現多種OAM模態渦旋電磁波的功能。然而，尺寸小、輻射效率高才是OAM陣列天線使用時考慮的主要因素。利用上述微帶陣列天線產生OAM波束時，由于輻射陣元是微帶貼片，其在低頻段天線幾何尺寸大，不易實現小型化；高頻段金屬歐姆損耗又高，輻射效率低。