一种基于多臂螺旋结构的电磁涡旋发生器制造技术

一种基于多臂螺旋结构的电磁涡旋发生器，属于OAM无线通信技术领域。所述发生器包括多臂螺旋辐射结构、馈电结构和辅助结构；所述辐射结构包括位于介质基板之上的N个相同的旋臂，所述N个旋臂以360°/N的角度沿介质基板的中心线呈旋转对称分布，N为大于1的正整数；所述馈电结构包括一个N路等分功分器、N个移相器、N根同轴馈线和地板；所述辅助结构位于辐射结构的正下方，用于支撑辐射结构。本发明专利技术电磁涡旋发生器可以通过控制多臂螺旋天线各旋臂之间的馈电相位差，用同一副天线产生携带不同模式轨道角动量的电磁波，用于无线通信；且产生的轨道角动量电磁波的辐射性能好，后向辐射弱；结构简单紧凑，易加工且便于调试。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多臂螺旋结构的电磁涡旋发生器
本专利技术属于OAM无线通信
，具体涉及一种基于多臂螺旋结构的电磁涡旋发生器。
技术介绍
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，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。为满足不断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。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。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还能传播动量，传播的动量可分为线性动量(linearmomentum)与角动量(angularmomentum)，而角动量又分为旋转角动量(spinorbitalmomentum)与轨道角动量(orbitalangularmomentum)。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。而轨道角动量(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。目前，轨道角动量电磁波的生成多为单模态形式，同一副天线也大多只能生成同一种模态。如公开号为CN107706518A的专利申请中只能产生模态为2的轨道角动量电磁波；公开号为CN107104279A的专利申请中同一频率下也只能产生模态单一的轨道角动量波束，在同一结构下无法实现模态的调控，且后向辐射强，大大限制了其广泛应用；公开号为CN204966687U的专利申请中，同一副天线结构虽然可以实现不同模态的调控，但天线阵每个阵元之间需要保持一定距离，结构不够紧凑。因此，设计一种能够生成多种模态、结构紧凑且单向辐射性能好的电磁涡旋发生器对于未来移动通信具有极大的价值。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对
技术介绍
存在的缺陷，提出一种基于多臂螺旋结构的电磁涡旋发生器。该发生器能产生多种模态的轨道角动量电磁波，根据旋臂个数N由馈电相位差控制从而产生辐射性能好、后向辐射弱、绝对值为1到N阶的轨道角动量电磁波。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种基于多臂螺旋结构的电磁涡旋发生器，其特征在于，所述发生器包括多臂螺旋辐射结构、馈电结构和辅助结构；所述辐射结构包括位于介质基板②之上的N个相同的旋臂，所述N个旋臂以360°/N的相同的角度沿介质基板的中心线(z轴)呈旋转对称分布，N为大于1的正整数；所述馈电结构包括一个N路等分功分器③、N个移相器④、N根同轴馈线⑤和地板；所述辅助结构位于辐射结构的正下方，用于支撑辐射结构；输入激励信号经过N路等分功分器③等分为N路等幅同相的信号后，分别进入N个移相器移相后，通过同轴馈线分别馈入辐射结构中的N个旋臂，通过调节N个移相器的相移量，使得辐射结构中相邻旋臂的馈电相位差满足并同时使N个旋臂的馈电相位沿顺时针(或逆时针)方向依次增大，从而实现等幅等相位差馈电，其中，l为预期产生的轨道角动量阶数。本专利技术提供的一种基于多臂螺旋结构的电磁涡旋发生器中，通过调节N个移相器的相移量，使得辐射结构中相邻旋臂的馈电相位差满足并同时使N个旋臂的馈电相位沿顺时针(或逆时针)方向依次增大，从而实现等幅等相位差馈电，其中，l为预期产生的轨道角动量阶数；在此馈电条件下，多臂螺旋结构各旋臂上的行波电流的相位满足l阶涡旋电磁场的相位分布特性，因而可在空间中激励起的辐射场同样满足l阶涡旋的相位分布特性，进而产生携带l阶轨道角动量的电磁波，所述携带l阶轨道角动量的电磁波位于多臂螺旋结构的正上方。因此，本申请提供的一种基于多臂螺旋结构的电磁涡旋发生器，根据l的取值不同，在空间中能相应的产生绝对值为1到N阶的轨道角动量电磁波，即通过改变馈电相位差用同一副天线就能实现多个轨道角动量模态的生成。进一步地，所述辐射结构中N个相同的旋臂为阿基米德螺旋、等角螺旋、直角螺旋等平面螺旋结构，或者为圆锥螺旋等空间螺旋结构。当辐射结构为阿基米德螺旋等平面螺旋结构时，所述辅助结构包括用于承载辐射结构的介质基板②、用于支撑介质基板的介质柱⑦、位于辐射结构正下方的金属腔⑧以及填充于金属腔内的吸波材料⑨(用于吸收后向辐射)；所述介质基板和介质柱在有效支撑辐射结构的同时不影响所辐射涡旋电磁波的模态，所述金属腔的口面大小应满足截获天线后向辐射功率的90％以上，所述吸波材料的材质以及厚度应保证天线后向辐射功率的90％以上被吸波材料所吸收。当辐射结构为圆锥螺旋等空间螺旋结构时，所述辅助结构包括用于支撑辐射结构的介质体。所述辅助结构一方面用于支撑辐射结构，另一方面，在天线后向辐射较大时，吸收天线的后向辐射，以保证天线的单向辐射。进一步地，所述辐射结构中N个相同的旋臂可采用金属贴片或金属导线等方式实现，并通过辅助结构支撑。进一步地，所述辐射结构的馈电点可位于N个旋臂的起点位置或终点位置。当馈电点位于旋臂起点位置时，N个旋臂馈电相位增大的方向应与每个旋臂的旋向相反，即当旋臂的旋向为顺时针(逆时针)方向时，N个旋臂的馈电相位应沿逆时针(顺时针)方向增大；当馈电点位于旋臂终点位置时，N个旋臂馈电相位增大的方向应与每个旋臂的旋向相同。按照此种方式，当旋臂单元为左手螺旋形式且馈电点位于N个旋臂的终点位置时，辐射结构所产生的涡旋电磁波阶数为负，即能产生-1到-N阶；当旋臂单元为左手螺旋形式且馈电点位于N个旋臂的起点位置时，辐射结构所产生的涡旋电磁波阶数为正，即1到N阶；当旋臂单元为右手螺旋形式且馈电点位于N个旋臂的终点位置时，辐射结构所产生的涡旋电磁波阶数为正，即1到N阶；当旋臂单元为右手螺旋形式且馈电点位于N个旋臂的起点位置时，辐射结构所产生的涡旋电磁波阶数为负，即能产生-1到-N阶。进一步地，所述多臂螺旋辐射结构中旋臂的个数N由预期产生的轨道角动量最高阶数lmax所决定，即N＝lmax。当辐射结构的馈电点位于N个旋臂的起点位置时，所述多臂螺旋辐射结构中旋臂单元的外半径r需满足2πr≥(lmax+1)λ，以保证行波电流可以在各旋臂上充分传播从而使辐射波携带本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多臂螺旋结构的电磁涡旋发生器，其特征在于，所述发生器包括多臂螺旋辐射结构、馈电结构和辅助结构；所述辐射结构包括位于介质基板之上的N个相同的旋臂，所述N个旋臂以360°/N的角度沿介质基板的中心线呈旋转对称分布，N为大于1的正整数；所述馈电结构包括一个N路等分功分器、N个移相器、N根同轴馈线和地板；所述辅助结构位于辐射结构的正下方，用于支撑辐射结构；输入激励信号经过N路等分功分器等分为N路等幅同相的信号后，分别进入N个移相器移相后，通过同轴馈线分别馈入辐射结构中的N个旋臂。

【技术特征摘要】
1.一种基于多臂螺旋结构的电磁涡旋发生器，其特征在于，所述发生器包括多臂螺旋辐射结构、馈电结构和辅助结构；所述辐射结构包括位于介质基板之上的N个相同的旋臂，所述N个旋臂以360°/N的角度沿介质基板的中心线呈旋转对称分布，N为大于1的正整数；所述馈电结构包括一个N路等分功分器、N个移相器、N根同轴馈线和地板；所述辅助结构位于辐射结构的正下方，用于支撑辐射结构；输入激励信号经过N路等分功分器等分为N路等幅同相的信号后，分别进入N个移相器移相后，通过同轴馈线分别馈入辐射结构中的N个旋臂。2.根据权利要求1所述的基于多臂螺旋结构的电磁涡旋发生器，其特征在于，所述辐射结构中N个相同的旋臂为平面螺旋结构或空间螺旋结构，具体为阿基米德螺旋、等角螺旋、直角螺旋或圆锥螺旋。3.根据权利要求2所述的基于多臂螺旋结构的电磁涡旋发生器，其特征在于，所述辐射结构为平面螺旋结构时，所述辅助结构包括用于承载辐射结构的介质基板、用于支撑介质基板的介质柱、位于辐射结构正下方的金属腔以及填充于金属腔内的吸波材料。4.根据权利要求2所述的基于多臂螺旋结构的电磁涡旋发生器，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：张哲源，宗显政，文成纲，綦鑫，陈正天，聂在平，班永灵，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51