基于介质谐振器的多模态OAM天线和电子设备制造技术

本发明专利技术公开了一种基于介质谐振器的多模态OAM天线和电子设备。一种基于介质谐振器的多模态OAM天线包括：介质基板和分别设置于介质基板两侧的介质谐振器和金属接地层，介质谐振器通过馈线与馈电端口连接；介质谐振器垂直于介质基板，馈线与介质谐振器的切向方向平行，介质谐振器在至少四个不同频点分别产生OAM模态不同的涡旋电磁波。本发明专利技术实施例的技术方案，能够在高频段产生多模态的OAM波束。能够在高频段产生多模态的OAM波束。能够在高频段产生多模态的OAM波束。

【技术实现步骤摘要】
基于介质谐振器的多模态OAM天线和电子设备


[0001]本专利技术实施例涉及天线技术，尤其涉及一种基于介质谐振器的多模态OAM天线和电子设备。

技术介绍

[0002]随着智能终端的普及以及移动互联网应用的蓬勃发展，越来越多的移动设备投入使用，移动设备的信号通过无线信道传输，这对无线信道的容量和频谱利用率提出的更高的要求。传统的调制技术，使用频率、时间、码型和空间等资源作为自由度，根据香农公式，信道容量的增加是信噪比增加的对数，理论上增加发射功率使其接近无穷大或不断减小噪声功率让其接近无噪声状态都可以提高频谱效率，但是这种方法在实际的通信系统中不可实现，并且频谱资源是有限的。为了进一步提升系统容量以及频谱效率，满足未来移动数据业务需求，就需要探索新的技术。而轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)将载波携带的OAM模式作为新的调制参数，OAM电磁涡旋波在不增加带宽的情况下，可以极大的提高系统容量，这也使得多模态OAM电磁涡旋波的复用技术成为目前无线通信领域研究的热点。
[0003]然而现有产生OAM波束的方法大都只能产生低阶OAM模态，其应用受到限制，此外，目前设计的OAM天线大多分布在C波段、X波段、Ku波段，仍然存在频带拥挤的问题。在第五代移动通信(5th Generation，5G)中，已经在30GHz～300GHz的毫米波频段进行技术研发试验，毫米波通信不仅可以实现大容量信息传输，还可以有效减小天线尺寸，因此在高速发展的信息时代，开发一种将毫米波与OAM相结合的通信技术将有效缓解频谱资源紧张的问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种基于介质谐振器的多模态OAM天线和电子设备，能够在高频段产生多模态的OAM波束。
[0005]第一方面，本专利技术实施例提供了一种基于介质谐振器的多模态OAM天线，其特征在于，包括：
[0006]介质基板和分别设置于介质基板两侧的介质谐振器和金属接地层，介质谐振器通过馈线与馈电端口连接；
[0007]介质谐振器垂直于介质基板，馈线与介质谐振器的切向方向平行，介质谐振器在至少两个不同频点分别产生OAM模态不同的涡旋电磁波。
[0008]在第一方面一种可能的实现方式中，介质谐振器为圆柱形介质谐振器。
[0009]在第一方面一种可能的实现方式中，馈线为同轴探针、介质镜像波导或微带线。
[0010]在第一方面一种可能的实现方式中，介质谐振器产生的OAM模态数量随介质谐振器的尺寸增大而增加。
[0011]在第一方面一种可能的实现方式中，介质谐振器的工作频段位于毫米波频段。
[0012]在第一方面一种可能的实现方式中，介质谐振器的工作频段位于28GHz
‑
36GHz之
间，所产生的涡旋电磁波的OAM模态分别为1、2、3、4。
[0013]在第一方面一种可能的实现方式中，介质谐振器在29.6GHz产生OAM模态为1的涡旋电磁波，在30.6GHz产生OAM模态为1的涡旋电磁波，在32.2GHz产生OAM模态为1的涡旋电磁波，在35.1GHz产生OAM模态为1的涡旋电磁波。
[0014]在第一方面一种可能的实现方式中，介质谐振器中激发WGM电磁波，WGM电磁波沿介质谐振器的边界以全内反射方式传播，至少两个不同频点分别产生OAM模态不同的涡旋电磁波。
[0015]在第一方面一种可能的实现方式中，不同OAM模态的涡旋电磁波相互正交。
[0016]第二方面，本专利技术实施例提供一种电子设备，包括：射频收发信机和如第一方面任一种可能的实现方式的基于介质谐振器的多模态OAM天线
[0017]本专利技术实施例提供的基于介质谐振器的多模态OAM天线和电子设备，利用单个介质谐振器生成OAM这种新的天线技术，有效解决了在高频多个微波段产生OAM涡旋电磁波和OAM系统复杂的难题。
附图说明
[0018]图1为一种OAM天线的示意图；
[0019]图2为另一种OAM天线的示意图；
[0020]图3a和图3b为本专利技术实施例提供的一种基于介质谐振器的多模态OAM天线的结构示意图；
[0021]图4为不同模式数的电磁涡旋波相位图；
[0022]图5a和图5b为利用有耗环形理论建立了介质谐振器的等效模型示意图；
[0023]图6为圆柱形介质谐振器天线的理论模型示意图；
[0024]图7a为本专利技术提供的天线的基于介质谐振器的多模态OAM天线的S参数仿真结果；
[0025]图7b为本专利技术提供的天线的基于介质谐振器的多模态OAM天线的电压驻波比的仿真结果示意图；
[0026]图8为本专利技术提供的天线的基于介质谐振器的多模态OAM天线的空间辐射相位分布和振幅分布示意图；
[0027]图9是l＝1，2，3，4不同模态下的3D远场辐射图和二位辐射方向图；
[0028]图10是本申请提供的基于介质谐振器的多模态OAM天线的总效率示意图。
具体实施方式
[0029]下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本专利技术，而非对本专利技术的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本专利技术相关的部分而非全部结构。
[0030]当平面波中存在着类似于晶体的“螺旋式涡旋”时，波前会绕在传播方向上的一条线以螺旋方式旋转，形成螺旋形的波前，这非常类似于流体中的涡旋现象。
[0031]轨道角动量涡旋的研究起源于光学理论，携带OAM的电磁波就是电磁涡旋波，电磁涡旋波的产生是通过在正常电磁波上添加一个与空间方位角相关的旋转相位因子将正常电磁波转变为电磁涡旋波，此时电磁波波前将不再是平面结构，而是绕着波束传播
方向旋转，呈现出一种螺旋的相位结构，可以表示为：其中，A(r)表示正常电磁波的幅度值，r为到波束中心轴线的辐射距离，为方位角，l为轨道角动量的模态值。
[0032]根据经典电动力学理论，电磁辐射可以同时携带能量以及动量，动量包括线动量和角动量。角动量是由描述极化状态的自旋角动量(Spin angular momentum，SAM)和描述螺旋相位结构的轨道角动量(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。而轨道角动量是与光子的空间分布相关，无论在光学领域还是在无线电领域中，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。
[0033]但近几年的最新研究成果表明，轨道角动量已经不仅仅局限在光领域内，也可以应用在无线电领域中。而在无线通信中，具有不同模态值的电磁涡旋波是相互正交的，利用这一特性，可以在同一带宽内并行传输多路电磁涡旋波，理论上讲，具有不同模态值的电磁涡旋波相互之间不会产生干扰。由此，可以在不改变带宽的情况下，传输多路携带信息的电磁涡旋波，极大地提高频谱利用率。
[0034]目前，结合轨道角本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于介质谐振器的多模态OAM天线，其特征在于，包括：介质基板和分别设置于所述介质基板两侧的介质谐振器和金属接地层，所述介质谐振器通过馈线与馈电端口连接；所述介质谐振器垂直于所述介质基板，所述馈线与所述介质谐振器的切向方向平行，所述介质谐振器在至少四个不同频点分别产生OAM模态不同的涡旋电磁波。2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述介质谐振器为圆柱形介质谐振器。3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述馈线为微带线。4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述介质谐振器产生的OAM模态数量随所述介质谐振器的尺寸增大而增加。5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述介质谐振器的工作频段位于毫米波频段。6.根据权利要求5所述的天线，其特征在于，所述介质谐振器的工作频段位于28GHz
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【专利技术属性】
技术研发人员：孙学宏，王艳妮，刘丽萍，
申请(专利权)人：宁夏大学，
类型：发明
国别省市：