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一种双环结构多模态OAM电磁涡旋波阵列天线制造技术

技术编号:14777771 阅读:24 留言:0更新日期:2017-03-09 13:51
本发明专利技术公开一种双环结构多模态OAM电磁涡旋波阵列天线,包括介质基板、若干组阵元以及与各阵元对应的同轴馈线和输入端口,所述阵元采用微带贴片天线;所述每组阵元分别以各自设定间隔沿圆周均匀分布排列在所述介质基板的一面,介质基板的另一面为接地面,所述输入端口通过同轴馈线连接对应阵元。本发明专利技术可以实现在同一频点同时产生多种OAM模态的电磁涡旋波,OAM电磁涡旋波用于多路复用,可以在单个信道同时发送多个同轴数据流,显著增加系统容量并提高无线通信频谱效率。由于使用双环结构,本发明专利技术可以有效的改善电磁涡旋波信号的质量,提高其方向性以及增益,获得更好的天线性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及天线
,尤其涉及一种双环结构多模态OAM电磁涡旋波阵列天线。
技术介绍
根据经典电动力学理论,电磁辐射可以同时携带能量以及角动量,角动量是由描述极化状态的自旋角动量(Spinangularmomentum,SAM)和描述螺旋相位结构的轨道角动量(Orbitalangularmomentum,OAM)组成。自旋角动量与光子的自旋相关,呈现出一种圆偏振的表现形式,20世纪初Poynting就预测了SAM的存在,但是直到1936年Beth通过实验验证之后SAM才被广泛应用,而轨道角动量(OAM)是与光子的空间分布相关。1838年,Airy发现了在透镜的焦平面上有异常光环形成;1967年,Boivin等人分析发现该光环的能流中存在着绕焦平面轴线旋转的涡旋,表明光场中存在轨道角动量;1974年,Nye等人将晶体中的缺陷概念引入波动问题,证明了波前中的相位缺陷是导致光学涡旋产生的原因;1979年,Vaughan等人分析了具有螺旋波前光束的干涉特性;1981年,Baranova等人分析了散斑光场中的光涡,发现光涡产生概率是一定的,并且在散斑场中不能形成高拓扑荷的光涡;1989年,Coullet等人分析了具有高菲涅耳数的激光腔,发现腔内光场具有类似于超流体涡旋的特点,他们采用Maxwell-Bloch模型从理论角度阐释了涡旋解的存在,促进了关于光束轨道角动量的研究。直到1992年,关于OAM光束的研究取得了重要进展:Allen等人证明了在近轴近似条件下,具有相位因子的LG螺旋激光束每光子具有轨道角动量,这一结论随后被推广到非近轴近似的情况。自此之后,关于OAM应用的研究引起了人们的巨大兴趣。OAM的应用之一是实现对原子与分子的操纵,这主要利用了其动力学性质。1995年,He等人在实验中发现OAM光束的轨道角动量可以传递给物质粒子;1997年,Simpson等人进一步提出光束的轨道角动量和自旋角动量一样,可以对粒子施加力矩使之转动,并提出了“光学扳手”的概念,他们发现使用OAM光束的光镊系统对粒子的束缚能力远高于使用传统高斯光束的光镊,能以更高的效率实现对微现粒子的分馏和自组织、气捕获和移动等微操作,同时减轻对微粒的损伤,这对生物分子、细胞、细菌、病毒等的研究有着重要意义。无论在光学领域中还是在无线电领域,OAM都是表征具有螺旋相位结构波形的自然属性。OAM在光学中已经被广泛应用,通过引入OAM,光通信系统的传输能力得到很大程度的扩展。2007年,Thide等人首次提出将光子轨道角动量应用于低频,通过仿真验证了可以使用相控阵列天线产生类似拉盖尔高斯光束的电磁涡旋波,开创了将轨道角动量应用在无线通信中的先河,提出了利用电磁涡旋波用于扩大无线通信容量的设想,启发了在无线通信中使用OAM载波的思想。2008年,Garcia-Escartin等人研究了基于光子OAM的量子复用问题,分析了使用合路器和多路器来综合量子信道的方案。2010年,Mohammadi等人系统地研究了基于天线阵列的OAM波束生成方法。2012年,Edfors等人建议在无线通信系统中使用OAM技术。同年,Tamburini等人利用螺旋抛物面天线和八木天线在2.414GHz的频带上首次验证了携带轨道角动量的电磁波在无线通信中进行信息传输的可行性。实验采用螺旋抛物面天线和八木天线分别产生具有OAM模态的电磁涡旋波和正常电磁波,并在同一频点上,以不同的OAM模态值对不同的波束进行编码传输。并在上述装置的基础上,在接收端利用相位干涉仪测量波束中电场的相位差,验证了电磁涡旋波的抗干扰能力。Abhay等人通过仿真分析了螺旋抛物面天线的设计方法;Wang等人则通过使用OAM复用技术在自由空间中实现了2.56Tbits/s的数据传输,系统的频谱利用率达到了95.7bits/s。2013年,利用OAM复用技术,Bozinovic等人在光纤中也实现T比特量级的数据传送。此后,一系列关于OAM波束生成的方法被报道出来,例如,Deng等人提出利用Vivaldi天线阵产生OAM波,Bai等人在圆环形天线阵中使用的矩形贴片阵元,也成功产生了OAM波;Tennant等人提出了时变阵列(Time-switchedarray,简称TSA),可使阵列的多个谐波产生OAM特性,可以同时产生多个模态的OAM值。综上,要发展OAM复用的理论与技术,需系统研究OAM载波的产生、传输和检测等问题,因此关于OAM无线电波束的生成方法是目前研究的热点。目前,结合轨道角动量在相关领域中的研究进展,在无线电频段生成OAM无线电波的方法主要有两种手段,分别是阵列天线和螺旋抛物面天线。阵列天线通过控制阵元辐射场的相位差产生想要的OAM模式波;螺旋抛物面天线则通过调整抛物面开口两端的间距产生任意模式的OAM电磁涡旋波。2011年,B.Thide等人利用螺旋抛物面天线产生模态值l=1的电磁涡旋波,这种天线是将抛物面天线扭曲成螺旋抛物面结构,形成连续的相位梯度,在物理上模拟了空间方位角的相位旋转接收端则利用两个天线构成一个相位干涉仪,利用相位干涉法来识别OAM的模态值。然而,这种OAM螺旋抛物面天线也有明显的缺陷,造价高,制作困难,并且实验中所采用的螺旋抛物面天线结构是一种单一固定结构,不适用于连续相位控制,即一个确定的几何结构只能产生一种模式的OAM波,这种单一结构不能同时产生多种OAM模态,若需生成不同的OAM波束,则必须调整开口的大小,在实际无线通信系统中,这种方法显然是行不通的。除了通过上述天线赋型形式产生携带OAM的电磁波,阵列天线是产生携带OAM波束的另一种方法,可以通过改变阵元间馈电相位关系来产生不同的OAM模态,即构成阵列天线结构,这种结构可以实现产生多模态OAM的要求。将若干天线单元等规则排成阵列,利用电磁波的干涉和叠加原理,通过馈电网络结构或者根据高速射频开关技术控制各阵元之间的馈电相位差,使电磁场辐射出的能量能在空间中重新分配,实现空间能量的不均匀分布,即某些区域的场增强而某些区域的场减弱,利用这种原理通过改变阵元之间馈电相位差的方式就可以产生不同OAM模态的电磁波。目前使用天线阵列的方法产生OAM电磁涡旋波的研究尚且停留在阵元数目较少的简单结构,多为4或8阵元单环结构阵列天线,其最大的局限性在于产生的信号中心增益较低方向性较差,且模态数越高这种现象越明显,这显然是不利于应用于通信系统的,因此我们需要更好的方法对此进行改进。随着无线通信爆炸性的发展,对无线频谱资源的需求正在急速上升。然而,目前传统的命令和控制频谱策略导致显著的频谱利用不足,因而目前授权频谱的使用率不高。利用率和能源效率低下的频谱成为无线电技术可持续发展的需要迫切解决的瓶颈问题。作为一个有发展前景的方法以解决频谱效率低下、打破目前频谱利用率不足的僵局,轨道角动量在最近引起了广泛研究。与此同时,由于电磁涡旋波的固有特性,模态值越高其方向性越差且在传输过程中信号的中心增益较低,该特性不利于信号的接收,这成为OAM阵列天线被广泛应用于无线通信系统的主要障碍。
技术实现思路
本专利技术的目的在于通过一种双环结构多模态OAM电磁涡旋波阵列天线,来解决以上
技术介绍
部分提到的问题。为达此目的,本专利技术采用以下技术方案:一种本文档来自技高网
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一种双环结构多模态OAM电磁涡旋波阵列天线

【技术保护点】
一种双环结构多模态OAM电磁涡旋波阵列天线,其特征在于,包括介质基板、若干组阵元以及与各阵元对应的同轴馈线和输入端口,所述阵元采用微带贴片天线;所述每组阵元分别以各自设定间隔沿圆周均匀分布排列在所述介质基板的一面,介质基板的另一面为接地面,所述输入端口通过同轴馈线连接对应阵元。

【技术特征摘要】
1.一种双环结构多模态OAM电磁涡旋波阵列天线,其特征在于,包括介质基板、若干组阵元以及与各阵元对应的同轴馈线和输入端口,所述阵元采用微带贴片天线;所述每组阵元分别以各自设定间隔沿圆周均匀分布排列在所述介质基板的一面,介质基板的另一面为接地面,所述输入端口通过同轴馈线连接对应阵元。2.根据权利要求1所述的双环结构多模态OAM电磁涡旋波阵列天线,其特征在于,所述双环结构多模态OAM电磁涡旋波阵列天线包括两组阵元共计16个,每组八个阵元分别以各自设定间隔沿圆周均匀分布排列在所述介质基板上。3.根据权利要求2所述的双环结构多模态OAM电磁涡旋波阵列天线,其特征在于,所述两组阵元分别以半径为0.6λ和0...

【专利技术属性】
技术研发人员:孙学宏范玉堂刘丽萍孙牧歌常伟席国法
申请(专利权)人:宁夏大学
类型:发明
国别省市:宁夏;64

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