[發明專利]用于軌道角動量遠距離通信的圓環陣列結構及其激勵方法

有效

• 申請號: 201811487046.5
• 申請日: 2018-12-06
• 公開（公告）號: CN109728448B
• 公開（公告）日: 2020-07-31
• 發明（設計）人: 曹樂搬;周斌;卜智勇;郭志貴
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: H01Q25/04
• 分類號: H01Q25/04;H01Q21/00;H01Q21/20;H01Q7/00;H01Q1/52
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 鄧琪;楊希

本發明涉及一種用于軌道角動量遠距離通信的圓環陣列結構及其激勵方法，其中所述結構包括同軸設置的一組徑向均勻圓環陣列和一組切向均勻圓環陣列，徑向均勻圓環陣列包括若干個沿該徑向均勻圓環陣列所在的第一圓環徑向排列且等間隔分布的第一陣元，所有第一陣元的初始電場矢量方向均沿所述第一圓環徑向背對或面對該第一圓環的圓心；切向均勻圓環陣列包括若干個沿該切向均勻圓環陣列所在的第二圓環徑向排列且等間隔分布的第二陣元，所有第二陣元的初始電場矢量方向均沿所述第二圓環切線方向順時針或逆時針排布。本發明可以產生多模復用的且具有不同模態值的攜軌道角動量渦旋電磁波，從而有效降低軌道角動量模間干擾，并達到增加傳輸距離的效果。

技術領域

本發明涉及無線通信領域，尤其涉及一種用于軌道角動量遠距離通信的圓環陣列結構及其激勵方法。

背景技術

根據量子力學和麥克斯韋理論，天線輻射的電磁波具有波粒二象性，可以像運動粒子一樣攜帶線動量與角動量。電磁波角動量包括自旋角動量(Spin Angular Momentum，SAM)和軌道角動量(Orbital Angular Momentum，OAM)兩部分，其中，SAM與光子旋轉相關，表現為電磁波的左旋或右旋圓極化，僅有(表示約化普朗克常量)兩個正交狀態；OAM則與光子波函數空間分布相關，是所有“渦旋電磁波”的基本屬性，表現為波束具有螺旋狀等相位面并且沿螺旋線傳播(如圖1所示)。

自1992年Allen等人首次試驗證實了具有exp相位因子的拉蓋爾-高斯渦旋光束可攜帶軌道角動量，由此廣泛開展了針對能夠攜帶軌道角動量的電磁波的研究，其中，至關重要的一個原因是在理論上OAM有無窮多個本征態，且不同模態之間相互正交，因而在現有通信技術的基礎之上，利用攜帶軌道角動量的電磁波作為信息傳輸過程中的載體可以極大提高通信系統容量，提升頻譜利用率。

針對渦旋電磁波多個本征模態的復用，現階段普遍采用“大圈套小圈”的共軸傳輸方式。在毫米波與可見光頻段，通常采用準光學器件分束鏡將多個獨立產生的單模態OAM波在空間上上疊加合成多模態復用波束。基于該技術途徑，2012年Wang等人提出并演示了4路OAM模態復用的光通信實驗，頻譜效率達到了25.6bit/s/Hz。在微波頻段上，實現共軸復用的技術途徑比較單一，即，設計可同時輻射多個OAM模態的一體化天線，例如：同心圓環陣列天線。所以如何簡單高效地產生攜帶軌道角動量的電磁波，并且對分別攜帶不同模態值的軌道角動量電磁波進行復用就顯得至關重要了。

如今有很多的方法可以產生攜帶軌道角動量的電磁波，比如有螺旋相位板、時間開關陣列、拋物面天線以及同向均勻圓環陣列天線等，其中，同向均勻圓環陣列天線的結構圖如圖2所示(圖2中箭頭的指向為天線的極化方向，相位可順時針遞增，也可逆時針遞增)。但是這種結構下產生的攜帶軌道角動量的渦旋電磁波束具有螺旋相位波前結構，因此在傳播方向上通常都存在著相位奇點和方向圖零陷，換言之，渦旋電磁波束的主瓣方向與傳輸方向之間存在著一個夾角，且夾角大小取決于OAM模態值、UCA半徑、電波頻率等多種因素。主瓣方向與傳播方向的不一致，導致了OAM波束在傳播路徑上的發散，功率損失嚴重，有效通信距離很近(傳輸過程可如圖3所示)。

由于微波通信的傳輸環境相對復雜，無線信道質量不穩定；渦旋電磁波的傳輸不僅受到傳輸介質的影響，還會有電波繞射與多徑等小尺度衰落的干擾。因而，波前的螺旋相位更易出現畸變，導致OAM模態正交性的惡化，頻譜效率難以大幅提升；同時，各個模態之間形成的串擾，將嚴重影響通信的質量。

發明內容

為了解決上述現有技術存在的問題，本發明旨在提供一種用于軌道角動量遠距離通信的圓環陣列結構及其激勵方法，以實現降低模間干擾的軌道角動量增程復用，提高天線增益。

本發明之一所述的一種用于軌道角動量遠距離通信的圓環陣列結構，其包括：同軸設置的一組徑向均勻圓環陣列和一組切向均勻圓環陣列，其中：