[发明专利]基于金属环形腔的产生射频OAM的环形行波天线

说明书

技术领域

本发明属于OAM无线通信技术领域，涉及一种基于金属环形腔的产生射频OAM的环形行波天线。

背景技术

随着全球进入移动互联网时代，移动通信业务的频谱缺口日益严重。由于低频段的优质频谱资源十分有限，仅通过划分新频谱难以满足移动通信的新需求。在这种情况下，发展新技术以提高比特/赫兹的使用效率显得尤为重要。目前，人们在基于电磁波的频谱、相位、振幅等维度以扩大信息容量资源方面进行了大量的研究，如提高频谱利用率新型智能无线通信技术——认知无线电；提高单个载波的频谱效率的信号的高阶相干调制，使频谱效率比串行系统提高近一倍的多载波技术，以及既可增加频谱效率又成倍增加信道容量的MIMO通信技术等等。显然基于频谱、相位、振幅这些维度的容量资源已经得到较为充分的开发和利用。虽然在这些维度的渐进式扩容还可以继续进行，但是要实现几个数量级的大幅度扩容，已经没有足够空间。因此，寻找新的物理参数维度实现电磁波通信技术，在有限频谱资源内满足通信容量呈数量级增长的需求，是一个重大科学和技术挑战。轨道角动量（OAM）无线通信就是在这个契机应运而生。

电磁波不仅具有能量，而且还有轨道角动量，轨道角动量是电磁波的基本物理属性，反映电磁波围绕传播方向轴的方位角方向的相位变化参数。对于任意频率的电磁波，全部OAM波束构成一组相互正交的、数目无限多的本征模式。OAM通信就是利用OAM模式这一组电磁波本征模式的阶数（取值l），作为新的可供调制或复用的参数维度资源，即利用不同l值代表不同编码状态或不同信息通道，从而开辟进一步提高频谱效率的新途径。由于l值具有无限取值范围，理论上OAM通信可能具有无限增加电磁波承载信息量的潜力。

目前利用射频OAM这一参数维度应用于无线通信领域尚处于起步阶段，大多数研究侧重于理论分析，开发和研制不同阶数射频OAM波束的产生、复用及相关器件是验证OAM波自由空间信道特性，实现射频OAM无线通信系统的基础。迄今为止，大多数OAM波束产生方法均来自于2007年Thide等设计的圆环阵列天线思路，但是该方法产生的OAM波束的阶数受到圆环阵列天线数量的限制。假设圆环阵列天线的个数为N，其所产生的OAM波束阶数l必须小于N/2，且该方法不利于OAM波束的复用。因此，一种简单易行的、利用成熟的波导技术实现射频导波模式向射频OAM模式的转换器件，对于加快和促进未来的射频OAM高速通信具有非常实用的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可产生射频OAM波束的基于金属环形腔的环形行波天线及基于此天线结构的射频OAM波束复用器件。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明实现一种基于金属环形腔的可产生射频轨道角动量（OAM）波束的环形行波天线。其主体结构为一个顶面沿着圆周开缝的金属环形腔。金属环形腔可看成由矩形波导弯折而成，工作在TE₁₀模式，其侧面高度为矩形波导的宽边a，顶面宽度为矩形波导的窄边b，开缝处设在窄边的中间，环形腔的周长为矩形波导的纵向长度，金属环型腔沿圆周的传播常数相当于矩形波导的纵向传播常数k_z。在金属环型腔侧面相距1/4圆周处开两个口接金属波导作为双源激励端口，当这两个激励端口中输入同频率，相位相差±90°的微波源，金属环形腔中的电磁场成绕圆周顺时针或者逆时针传播的行波分布，金属腔顶面开缝处构成一种环形行波天线，向空间辐射电磁波。合理设计金属环型腔的尺寸，使得金属环型腔沿圆周的传播常数满足R为开缝圆环半径，则可实现微波导波模式向OAM模式的转换，在空间中形成阶数为±l的OAM波束的发射。l的正负符号取决于双源激励端口的相位差是+90°还是-90°。

在本发明提供的基于金属环形腔可发射射频OAM波束的环形行波天线基础上，可以进一步设计射频OAM波束的复用器件。对这种基于金属环形腔的环形行波天线，要在空间中要形成阶数为l的OAM波束的发射，金属环型腔沿圆周的传播常数必须满足R为开缝圆环半径。金属环型腔沿圆周的传播常数（矩形波导的纵向传播常数k_z），工作在TE₁₀模式时，a为矩形波导的宽边。可见，OAM波束的阶数l与矩形波导的宽边以及开缝半径均有关系，合理设计矩形波导的宽边或者开缝半径，可以实现不同阶数OAM波束的发射。把多个发射不同阶数OAM波束的金属环型腔结构相集成，就可以在空间中形成多个不同阶数OAM波束的发射，实现射频OAM波束的复用。

本发明与背景技术相比具有的有益效果是：