[发明专利]一种宽带可重构的OAM天线

说明书

技术领域

本发明专利属于无线通信技术领域，具体涉及一种宽带可重构的OAM天线。

背景技术

随着移动业务的快速发展，无线频谱资源的有限性与其所承载的海量数据业务之间的矛盾日益突出，为解决此矛盾，必须进一步提高无线频谱的使用效率。就这方面而言，复用是通信业务一直以来得以发展和壮大的公开法宝。复用技术通过在有限的频谱上提供更多的传输信道，能够显著提升频谱的效率，最终实现通信系统容量的极大提升，从而允许系统提供更多的数据业务。

目前已被商业系统利用的复用资源包括时间、空间、码型、极化、频率、波长等维度的参数，对应的复用技术包括：时分复用(TDM：time division multiplexing)、空分复用(SDM：space division multiplexing)、码分复用(CDM：code division multiplexing)、极化复用(PDM：polarization division multiplexing)、频分复用(FDM：frequency division multiplexing)、波分复用(WDM：wavelength division multiplexing)等。

最近，人们研究轨道角动量(OAM: orbital angular momentum，是描述电磁波横向旋转特性的参数)，发现不同的OAM模式之间相互正交，满足信道复用的要求，有望应用于未来的通信系统中。据报道，采用OAM复用技术的通信系统已经具备320 Tbit/s以上的数据传输能力，频谱利用率可达230 bit^-1·s^-1·Hz^-1，远高于当前推广的LTE技术(频谱利用率在16 bit^-1·s^-1·Hz^-1左右)。

发展OAM复用技术面临的首要问题之一是如何高效地生成OAM螺旋波束。目前，微波段OAM波束的生成方式主要有以下几种：1.圆环形相控天线阵：通过调整阵元的电流相位构造螺旋相位因子exp(jlφ)，圆环形天线阵能够生成所有-N/2<l<N/2的OAM波束，这里φ、l和N分别表示方位角、OAM模式数和阵元数量。该方法模式重构能力强，但需要设计复杂的馈电网络，实现难度较大。2.修正抛物面天线：在标准的旋转抛物面上引入一个径向切口，并按阿基米德螺旋规律在抛物面轴向方向上延伸一段距离，使馈源辐射的圆极化无线电波在经过抛物面反射后在其波前中形成螺旋结构。该方法实现简单，但不具备模式重构能力。3.圆环形天线：这种天线的辐射圆环周长等于等效波长的整数倍，使用双端口馈电使环上电流处于行波状态，从而生成OAM波束。该方法实现简单，具备一定的模式重构能力，但工作带宽极窄。4.圆极化贴片天线：根据腔膜理论，谐振于TM_mn模式的贴片在行波状态下可以辐射OAM波束。该方法设计简单，具备2个模式的重构能力，但工作带宽窄，结构鲁棒性差。

综上，OAM发生装置的研究与设计具有重要的现实意义，但目前报道的微波段OAM天线存在实现难度大、工作带宽窄、模式重构能力差、结构鲁棒性差等诸多问题，因此需要继续探索可选的OAM天线设计技术与方法。与上述方法不同，本发明在适当设计多臂螺旋天线的基础上，实现具有宽带工作能力的OAM天线。天线结构简单，易于实施，对无线通信尤其是未来的超高速射频通信具有重要的意义。

发明内容