[發明專利]一種基于部分圓環行波天線理論產生結構電磁波束方法

有效

• 申請號: 202010086910.1
• 申請日: 2020-02-11
• 公開（公告）號: CN111276805B
• 公開（公告）日: 2021-04-06
• 發明（設計）人: 王智霞;鄭史烈;余顯斌;金曉峰;章獻民
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H01Q1/36
• 分類號: H01Q1/36;H01Q1/50;H01Q21/00;H01Q21/20
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 邱啟旺

本發明公開一種基于部分圓環行波天線理論產生結構電磁波束的方法，該方法將天線彎曲成半徑為a的圓弧形，對圓弧形天線進行饋電，使得所述圓弧形天線上的電流分布滿足產生結構電磁波束。所述OAM模態l為正數時，方位角的指向為所述OAM模態l為負數時，方位角的指向為所述圓弧形天線的半徑a與圓環行波天線產生單一模態的OAM波束所要求的半徑大小相等。本發明產生結構電磁波束具有定向增益特性、渦旋性和準正交特性。將其應用于無線通信中，定向增益特性，可以提高通信系統的信噪比，改善系統性能，渦旋性增加了空間中場的多樣性，準正交特性為復用提供了新的維度。

技術領域

本發明涉及結構電磁波的產生領域，尤其涉及一種基于部分圓環行波天線理論產生主瓣范圍內具有相位線性度的定向波束的方法。

背景技術

隨著互聯網的快速發展以及智能終端的普及，尤其是自動駕駛、智能家居的新興，人們對無線通信系統大容量高速率的需求日益增加。目前，基于電磁波頻率、極化、幅度、相位等維度提高通信容量的技術已經得到充分的開發與利用，電磁波軌道角動量(OrbitalAngular Momentum，OAM)作為一個新的物理維度應運而生，有望緩解有限的頻譜資源與日益增長的社會需求之間的矛盾。OAM是電磁波的基本屬性，表征電磁波的空間結構。OAM波束的基本特征是場分量攜帶相位項對于任意頻率的電磁波，數目無限的OAM模式在空間中構成相互正交的本征模式，作為可供調控的新的維度資源。

近年來，關于電磁波OAM展開了很多方面的研究，射頻域OAM波束存在的三個固有問題限制了射頻OAM波束在實際中的應用，一是波束中心存在相位奇點，即中心能量強度為零，二是波束發散，隨著傳播距離的增加，天線接收口徑越來越大，三是不同模態波束的發散角不一致，給不同模態的復用造成困難。因此，如何有效解決或者規避這三個問題成為OAM實際應用中的關鍵，對未來基于射頻OAM波束的高速無線通信具有非常重要的意義。

發明內容

本發明針對射頻OAM波束實際應用中存在的三個問題，提出一種基于部分圓環行波天線理論產生結構電磁波束方法，其目的在于產生主瓣范圍內具有相位線性度的高增益定向波束，該波束可以等同于不同模態的OAM波束疊加而成的，因此稱之為“結構電磁波”。

本發明解決技術問題所采取技術方案為：一種基于部分圓環行波天線理論產生結構電磁波束方法，將天線彎曲成半徑為a的圓弧形，對圓弧形天線進行饋電，使得所述圓弧形天線上的電流分布滿足產生結構電磁波束。

其中，l為整數，代表OAM模態，為方位角，I₀為饋入天線的初始電流強度，j為虛數單位。

所述OAM模態l為正數時，方位角的指向為所述OAM模態l為負數時，方位角的指向為

所述圓弧形天線的半徑a與圓環行波天線產生單一模態的OAM波束所要求的半徑大小相等。

進一步地，所述圓弧形天線可以為單根天線或由若干個天線陣元排布成圓弧陣列組成。

與現有技術相比，本發明具有的有益效果是：所述圓弧形天線可以為彎成一段圓弧的單根天線，或者將若干根天線陣元排布成圓弧形狀的陣列天線，并使得電流分布沿著圓弧滿足所述圓弧天線產生的結構電磁波束繼承了OAM波束的渦旋特性，即波束主瓣范圍內依然滿足的空間相位分布。此外，所述的結構電磁波的幅度不再像“甜甜圈”一樣均勻地分布在方位角上，而是具有定向增益特性，大部分能量集中于主瓣范圍。這表明，所述的結構電磁波具有準正交特性，同時避免了射頻域OAM波束中心黑洞和發散性問題，并且通過調節天線半徑和天線中心所在的位置，可以控制所述結構電磁波的三維指向。所述結構電磁波束可以用于無線通信，其定向增益特性，可以提高通信系統的信噪比，改善系統性能，渦旋性增加了空間中場的多樣性，準正交特性為復用提供了新的維度。此外，在同一個半徑上可以放置多個部分圓環行波天線，同時發射多個結構電磁波束。

附圖說明

圖1是部分圓環行波天線理論模型；