[发明专利]一种电磁涡旋喇叭天线

说明书

本发明涉及一种电磁涡旋喇叭天线，分为四段，第一段为主模激励圆波导段，此段为圆柱状，此段的半径满足主模传输条件λ_c为截止波长；第二段为主模的传输段，此段为圆台状，主模在这一段得到充分传输，此段圆台上下径满足主模单模传输条件；第三段为模式转换段，主模在此段经膜片微扰转换为TE21模，半径经过过渡变化到满足TE21模的传输条件第四段为喇叭的辐射段；喇叭结构第三段中有三个金属膜片，相互呈120°夹角，用于扰乱主模的电场分布，从而产生TE21模；在喇叭辐射段两个正交的极化简并TE21模叠加在一起，产生相位因子即是正负2阶的轨道角动量波。

技术领域

本发明属于OAM无线通信技术领域，具体涉及一种电磁涡旋喇叭天线。

背景技术

现如今，随着用于信息交换的无线通信技术的迅猛发展，移动终端普及率逐渐上升，移动互联网呈现出爆炸式发展趋势。在移动通信中，由于电磁频谱不仅具有开放性，同时具有有限性，使得如何通过提高频谱效率成为了推动现代通信技术持续不断发展的动力。统计数据表明，无线业务流量以每年接近100％的速度增长，这意味着未来10年，无线数据流量将增长1000倍。为满足增长的移动数据业务需求，迫切需要更高速、更高效、更智能的新一代无线移动通信技术，进一步提升系统容量以及频谱利用率，轨道角动量技术作为一种复用技术在无线通信中逐渐成为研究的热点。

在不拓展可利用频谱带宽的情况下提高频谱利用率问题的指引下，近几年，微波波段的轨道角动量电磁涡旋技术逐渐成为研究热点。研究者从用于信息交换的无线通道本身的性质入手。1992年，荷兰物理学家L.Allen发现拉盖尔-高斯分布的激光束拥有轨道角动量，并预言了一套修正过的光学系统可将高阶数的拉盖尔-高斯光束转换为高阶数的赫米特-高斯光束。2004年，英国格拉斯哥大学天文物理系Gibson等人首次提出将轨道角动量应用于光通信，并证实了利用不同的轨道角动量状态实现多信道独立调制同频传输。根据麦克斯韦方程，电磁波不仅能传播能量同时能传播动量，传播的动量可分为线性动量(linear momentum)与角动量(angular momentum)，而角动量又分为旋转角动量(spinorbital momentum)与轨道角动量(orbital angular momentum)。在量子力学中，角动量是基本的物理量，旋转角动量(SAM)与量子的自旋有关，在光学中对应光的偏振，在电磁学中对应电磁波的极化方式。轨道角动量(OAM)描述螺旋波束横向旋转模式的空间坐标维度，垂直于坡印亭矢量方向。

与已有的复用技术不同，轨道角动量电磁涡旋复用技术能够将载波所携带的轨道角动量模式作为调制参数，并且利用轨道角动量模式内在的正交性，将多路信号调制到不同的轨道角动量模式上，根据模式数或称拓扑电荷数区分不同的信道。通过这种方式，人们在相同载频上可以得到多个相互独立的轨道角动量信道。由于轨道角动量在理论上可以拥有无穷维阶数，因而可以构成无穷维的希尔伯特空间，由此理论上同一载波频率利用轨道角动量电磁涡旋复用可获得无穷的传输能力。

因此设计一种结构简单易实现的轨道角动量天线对于未来移动通信具有极大的价值。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种电磁涡旋喇叭天线，所述的天线能够产生辐射性能好、增益高、后向辐射弱的正、负2阶的轨道角动量波。

本发明一种电磁涡旋喇叭天线，包括四段，其中，

第一段为主模激励圆波导段，此段为圆柱状，此段的半径满足主模传输条件λ_c为截止波长；

第二段为主模的传输段，此段为圆台状，主模在这一段得到充分传输，此段圆台上、下径满足主模单模传输条件；

第三段为模式转换段，主模在此段经膜片微扰转换为TE21模，半径经过过渡变化到满足TE21模的传输条件

第四段为喇叭辐射段，在喇叭辐射段两个正交的极化简并TE21模叠加在一起，产生相位因子即是正、负2阶的轨道角动量波。