[發明專利]一種聚束型多模電磁渦旋發生器

有效

• 申請號: 202010139825.7
• 申請日: 2020-03-03
• 公開（公告）號: CN111403906B
• 公開（公告）日: 2023-06-06
• 發明（設計）人: 宗顯政;陳正天;武俊杰;聶在平;李中余;王霖
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01Q1/38
• 分類號: H01Q1/38;H01Q15/16;H01Q21/00;H01Q21/06
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 張冉

本發明公開了一種聚束型多模電磁渦旋發生器，屬于OAM無線通信技術領域。本發明所述發生器包括UCA初級輻射結構、饋電結構和拋物反射面結構；所述UCA初級輻射結構包括N個相同的微帶單元以360°/N的角度繞中心作均勻圓周排列；所述饋電結構包括一個一分N路等分功分器、N個移相器和N根傳輸饋線；所述拋物反射面結構位于UCA初級輻射結構的斜上方，其焦點附近放置于UCA初級輻射結構。本發明所述電磁渦旋發生器通過控制UCA初級輻射結構各單元之間的饋電相位差，在對拋物反射面結構作偏饋照射達到聚束作用的同時，可降低UCA初級輻射結構對反射面結構的遮擋。整個系統能產生攜帶不同模式的聚束型軌道角動量電磁波，前向輻射性能好，后向輻射弱。

技術領域

本發明屬于OAM無線通信技術領域，具體涉及一種聚束型多模電磁渦旋發生器。

背景技術

如今，隨著用于信息交換的無線通信技術的迅猛發展，移動終端普及率逐漸上升，移動互聯網呈現出爆炸式發展態勢。在移動通信中，電磁頻譜不僅具有開放性，同時具有有限性，這使得如何提高頻譜效率成為推動現代通信技術持續不斷發展的動力。統計數據表明，無線業務流量以每年接近100％的速度增長，這意味著未來10年，無線數據流量將增長1000倍。為滿足不斷增長的移動數據業務需求，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，進一步提升系統容量。

在不拓展可利用頻譜帶寬即能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波技術逐漸成為研究熱點。1992年，荷蘭物理學家L.Allen發現拉蓋爾-高斯分布的激光束擁有軌道角動量，并預言一套修正的光學系統可將高階拉蓋爾-高斯光束轉換為高階數赫米特-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，并驗證了利用不同的軌道角動量狀態實現多信道獨立調制同頻傳輸。根據麥克斯韋方程，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)，而角動量又分為自旋角動量(spin?orbital?momentum)與軌道角動量(orbital?angular?momentum)。在量子力學中，角動量是基本的物理量，自旋角動量(SAM)與量子的自旋有關，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模式的空間坐標表現，垂直于坡印亭矢量方向。

與已有的復用技術不同，軌道角動量電磁波復用技術能夠將不同模態的渦旋波作為通信載波，根據所謂模式數或拓撲電荷數區分不同的信道，并且利用軌道角動量不同模式內在的正交性，可在相同載頻上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，因而可以構成無窮維的希爾伯特空間。由此，在理論上，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已有多種方式，但均有不同程度的缺點。如公開號為CN107706518A的專利申請中只能產生模態數為2的軌道角動量電磁波；公開號為CN109546319A的專利申請雖然能產生多種模態的軌道角動量電磁波，但對于軌道角動量的波束中空特性未有改善。

當前的技術所產生的渦旋電磁波，其波束整體呈發散形態，波束中心存在凹陷，中心能量缺失，整體呈現空錐形，且模態數的絕對值越大，空錐的發散角越大，這對于移動通信應用來說具有很大的局限性。因此，設計一種能夠同時生成多模態且波束匯聚的、輻射性能良好的電磁渦旋發生器具有較大的意義。

發明內容

本發明的目的是克服上述現有技術的缺陷，提供一種聚束型多模電磁渦旋發生器。本發明所述發生器能產生多種模態的軌道角動量電磁波，并能有效壓縮軌道角動量電磁波的中空波束分離角的大小。首先對UCA(Uniform?Circular?Array，均勻圓形陣列)初級輻射結構的N個單元天線進行饋電相位差的控制從而產生輻射性能好、后向輻射弱、絕對值為1到N階(或-1到-N)的初級軌道角動量電磁波，然后由偏饋拋物面反射，便可達到在聚束作用的同時降低初級輻射結構對反射面的遮擋，最終產生聚束型多模軌道角動量電磁波。