[发明专利]一种多模态轨道角动量天线

说明书

本发明公开了一种可产生多种轨道角动量模式的微带阵列天线，主要解决现有轨道角动量天线OAM(OrbitalAngularMomentum)模式较少的问题。其中包括12个单元贴片天线，介质基板，金属地板，12个馈电接线柱等。阵列将12个结构相同的六边形贴片单元沿同一圆周等距排列，利用三维电磁场仿真软件优化，确定了天线的最优结构。结果表明，天线在中心频率10.15GHz处回波损耗达到‑14.81dB。当给各天线馈电端口馈送等幅但相位差相等的激励时，天线的电场辐射图、方向图等参数表明其能够产生携带11种有效不同模式的涡旋电磁波。该天线具有剖面低、体积小等特点，本发明为携带多种不同OAM模式的轨道角动量微带阵列天线设计提供了一种新颖的思路。

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体是一种多模态轨道角动量天线。

背景技术

伴随着无线传输技术的迅速普及与更多通信设备的快速发展，未来移动数据信息将持续呈现爆炸式的增长，无线信道容量需求和频谱资源短缺的矛盾日益突出，根据多通道无线通信系统中的信道容量公式：

信道容量C的大小是由信噪比SNR和系统信道矩阵H共同决定的。在未知信道特征的条件下，如果只是单方面地通过增加发射功率来提高频谱利用率，系统将不能维持正常通信。因此，人们迫切希望在无线通信领域找到一种可以增加系统容量并提高频谱利用率的通信方式。在此前提下，人们发现轨道角动量涡旋电磁波具有和频率、码序列、强度、相位、时间不同的物理自由度并且可以用于低频无线电领域。从理论上讲，在任意不同频率下，OAM涡旋电磁波都具有无数多种相互正交的模态，这种正交特性使得不同模态的涡旋波所携带的信息不会产生相互干扰。

2007年，瑞典空间物理研究所Thide等人发现使用矢量天线阵列[THIDE B,THENH,SJOHOLM J,et al.Utilization of photon orbital angular momentum in the low-frequency radio domain[J].Physical Review Letters,2007,99(8):877-894.]给各天线单元馈以等幅不同相的信号时，相邻两个阵元间存在相等的相位差，天线可以产生具有自旋角动量和轨道角动量的电磁波，并且波束与近轴螺旋拉盖尔-高斯激光束具有十分相似的角动量特性。2010年，Mohammadi等人对无线电OAM系统进行了综合仿真并在波束轴线已知的条件下，通过单点局部测量法明确地估计了无线电磁波束中的轨道角动量[MOHAMMADI S M,DALDORFF LK S,BERGMAN J E S,et al.Orbital angular momentum inradio-a system study[J].IEEE Transactions onAntennas and Propagation,2010,78(2):565-572.]。

2012年，Tamburini等人在麦克斯韦与洛伦兹电磁理论的对称形式基础上，利用独立于可用信道的信息进行编码的调制方案，将不同OAM编码状态的电磁波信号在同一频带上实现了442m的无线传输。[TAMBURINI F,MARI E,SPONSELLI A,et al.Encoding manychannels on the same frequency through radiovorticity:first experimental test[J].New J.Phys.Vol.14,Is.3,March 2012:2-7.]结果表明这种新的无线电通信方式允许在同一频带实现多信道同时传输数据信息。2017年，Bai X D等人提出了一种利用Rotman透镜天线阵列产生五种不同OAM模式涡旋波的方案[BAI X D,LIANG X L,LI J P,etal.Rotman Lens-BasedCircularArray for Generating Five-mode OAM Radio Beams[J].Scientific Reports,2016,6(1):734-739.]。