[發明專利]N臂阿基米德螺旋天線寬帶多OAM渦旋電磁波生成方法

有效

• 申請號: 202110290234.4
• 申請日: 2021-03-18
• 公開（公告）號: CN113111493B
• 公開（公告）日: 2022-03-22
• 發明（設計）人: 沈飛;楊陽;郭忠義;程凱揚;宮玉彬
• 申請（專利權）人: 東莞理工學院
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;H01Q1/38;H01Q25/04;H01Q1/00
• 代理公司: 成都行之專利代理事務所(普通合伙) 51220
• 代理人: 溫利平

本發明公開了一種基于N臂阿基米德螺旋天線的寬帶多OAM渦旋電磁波生成方法，先在電磁仿真軟件的時域求解器中建立N臂阿基米德螺旋天線模型，再選取天線模型各部件的具體材質，然后對N個饋電波端口輸入相同功率P不同相位分布A_m的正弦激勵信號，計算出所有相位分布下對應天線OAM模式l(A_m)的主輻射環區域的等效平均半徑r(A_m)的取值范圍，最后在天線模型中建立頻域遠場監控器，通過對N臂阿基米德螺旋天線模型進行仿真，實時檢測仿真過程中不同頻率處的天線遠場強度和相位分布，實現寬帶范圍內多OAM的產生。

技術領域

本發明屬于射頻天線技術領域，更為具體地講，涉及一種基于N臂阿基米德螺旋天線的寬帶多OAM渦旋電磁波生成方法。

背景技術

人類對軌道角動量的探索是從光學領域開始的。1909年，Poynting從理論上預測了電磁場自旋角動量的力學效應，Beth在1936年進行了實驗驗證。直到1992年，由Allen L等人發布于《Physical Review A Atomic Molecular》45期11刊上的“Orbital angularmomentum of light and transformationof Laguerre Gaussian Laser modes”一文中指出，拉蓋爾-高斯振幅分布的激光中具有清晰的軌道角動量，確定了軌道角動量OAM(Orbital Angular Momentum)具有螺旋相位因子的特性e^-jlφ，l是OAM的拓撲核數，φ是方向角，關于軌道角動量的深入研究至此開始。理論上OAM模式數目是無限的，且不同OAM模式之間相互正交并在空間獨立傳播，張成無窮維的希爾伯特空間，有望被用于擴大通信系統的容量和提高成像領域的成像分辨率。渦旋電磁波的產生是其應用的前提，天線作為無線電波發射和接收的設備，天線的帶寬和OAM模式直接決定成像系統徑向和方位向的分辨率、通信系統的通信容量，因此，使用天線產生寬帶多OAM渦旋電磁波的研究是至關重要的。

自從20世紀90年代Turnbull等人利基于螺旋相位板天線首次在毫米波頻段產生渦旋電磁波以來，大量研究學者們也相繼提出各種方法來產生射頻波段的渦旋電磁波，總體分為4大類不同形式渦旋電磁波生成天線。單一微帶貼片天線結構簡單、易于實現且制作成本低，但天線的帶寬和OAM模式的數目受限。陣列天線具有設計原理簡單、結構靈活且可以多OAM模式的特點，但其結構龐大，造價昂貴。超表面天線剖面低、易于波束聚焦，但單元數量多、輻射效率低。行波天線總體分為兩大類：一類是諧振腔式行波天線，通過正交饋電方式來產生攜帶OAM模式的渦旋電磁波僅，但是OAM模式的數目僅1組，且天線的工作帶寬為窄帶范圍；另一類為螺旋形行波天線，具有非頻變和易嵌套的特點，有望被用來在寬帶范圍內，實現攜帶多OAM模式渦旋電磁波的產生，但是基于N臂阿基米德平面螺旋天線生成寬帶多OAM渦旋電磁波的原理尚未完全清晰。因此，提出基于N臂阿基米德螺旋天線的圓極化寬帶多OAM渦旋電磁波生成方法，確定饋電網絡、天線結構尺寸、OAM模式數、天線帶寬之間的關系，這對于OAM在無線通信、目標探測識別和高分辨率成像的應用具有非常重要的意義。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種基于N臂阿基米德螺旋天線的寬帶多OAM渦旋電磁波生成方法，利用N臂阿基米德平面螺旋天線非頻變的特點，以及圓形行波天線的輻射機理，用于產生寬帶多OAM渦旋電磁波。

為實現上述發明目的，本發明一種基于N臂阿基米德螺旋天線的寬帶多OAM渦旋電磁波生成方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)、在電磁仿真軟件的時域求解器中建立N臂阿基米德螺旋天線模型，包括一個圓形介質基板和一個金屬反射板，以及刻在圓形介質基板背面的金屬接地環與刻在圓形介質基板正面的N條金屬螺旋線；

其中，N條金屬螺旋線均勻繞制且線寬固定不變，金屬螺旋線順時針或逆時針旋轉，在N條金屬螺旋線的起點或終點位置處建立N條饋電同軸，用于設置饋電波端口；金屬接地環與饋電波端口處于同一半徑，用于實現阻抗匹配；金屬反射板與介質基板同樣大小，用于提高天線的增益；