[发明专利]一种基于环形行波天线产生射频轨道角动量波束的方法有效

专利信息
申请号: 201310433063.1 申请日: 2013-09-22
公开(公告)号: CN103474776A 公开(公告)日: 2013-12-25
发明(设计)人: 郑史烈;章献民;池灏;金晓峰 申请(专利权)人: 浙江大学
主分类号: H01Q7/00 分类号: H01Q7/00
代理公司: 杭州求是专利事务所有限公司 33200 代理人: 杜军
地址: 310027 浙*** 国省代码: 浙江;33
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摘要:
搜索关键词: 一种 基于 环形 行波天线 产生 射频 轨道角动量 波束 方法
【说明书】:

技术领域

发明属于OAM无线通信技术领域,涉及一种基于环形行波天线的射频OAM波束的产生方法。

背景技术

随着全球进入移动互联网时代,移动通信业务的频谱缺口日益严重。由于低频段的优质频谱资源十分有限,仅通过划分新频谱难以满足移动通信的新需求。在这种情况下,发展新技术以提高比特/赫兹的使用效率显得尤为重要。目前,人们在基于电磁波的频谱、相位、振幅等维度以扩大信息容量资源方面进行了大量的研究,如提高频谱利用率新型智能无线通信技术——认知无线电;提高单个载波的频谱效率的信号的高阶相干调制,使频谱效率比串行系统提高近一倍的多载波技术,以及既可增加频谱效率又成倍增加信道容量的MIMO通信技术等等。显然基于频谱、相位、振幅这些维度的容量资源已经得到较为充分的开发和利用。虽然在这些维度的渐进式扩容还可以继续进行,但是要实现几个数量级的大幅度扩容,已经没有足够空间。因此,寻找新的物理参数维度实现电磁波通信技术,在有限频谱资源内满足通信容量呈数量级增长的需求,是一个重大科学和技术挑战。轨道角动量(OAM)无线通信就是在这个契机中应运而生。

电磁波不仅具有能量,而且还有轨道角动量,轨道角动量是电磁波的基本物理属性,反映电磁波围绕传播方向轴的方位角方向的相位变化参数。对于任意频率的电磁波,全部OAM波束构成一组相互正交的、数目无限多的本征模式。OAM通信就是利用OAM模式这一组电磁波本征模式的阶数(取值l),作为新的可供调制或复用的参数维度资源,即利用不同l值代表不同编码状态或不同信息通道,从而开辟进一步提高频谱效率的新途径。由于l值具有无限取值范围,理论上OAM通信具有可无限增加电磁波承载信息量的潜力。

目前利用射频OAM这一参数维度应用于无线通信领域尚处于起步阶段,大多数研究侧重于理论分析,开发和研制不同阶数射频OAM波束的产生方法及相应器件是验证OAM波自由空间信道特性,实现射频OAM无线通信系统的基础。迄今为止,大多数OAM波束产生方法均来自于2007年Thide等设计的圆环阵列天线思路,但是该方法产生的OAM波束阶数受到圆环阵列天线数量的限制,假设圆环阵列天线的个数为N,其产生的OAM波束阶数l必须小于N/2,所以寻求一种简单易行的射频OAM波束产生方法对于未来的射频OAM高速通信具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于环形行波天线的射频OAM波束的产生方法及基于此方法实现的OAM波束复用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:

一种基于环形行波天线的射频OAM波束的产生方法:

任何一种天线,不管是电型源天线还是磁型源天线,只要它的空间分布呈圆环形,圆环绕Z轴对称,圆环上各点激励源幅度一致,相位沿圆环圆周各点连续变化,满足的分布,其中是圆周角,l为整数,可为正或者为负,该类天线可定义为环形行波天线。即天线激励源在圆环上呈行波传播,l的符号不同表示天线激励源在圆环上呈顺时针或者逆时针方向的行波传播。经过电磁数值计算,这类环形行波天线在空间中的辐射可产生具有螺旋相位的l阶射频OAM波束,l亦可为正或者为负。其中的射频包含微波波段和毫米波波段。

本发明与背景技术相比具有的有益效果是:

本发明针对通信业务频谱资源缺口严重问题,提出了一种新的射频OAM波束的产生方法,该发明可用于OAM无线通信系统,与现有通信技术相集成,大大提高通信系统的容量。与背景技术中常用的圆环阵列天线实现OAM波束产生方法相比,本发明提出的射频OAM波束产生方法不受限于阵列天线个数,可实现任意阶数射频OAM波束的产生。另外,通过多个环形行波天线的集成,可实现OAM高速通信必需的OAM波束复用器的设计,达到不同阶数射频OAM波束的复用。本发明中要求的环形行波天线上的相位分布很容易实现,且可通过多种技术达到要求,避免背景技术中利用圆环阵列天线产生OAM方法中对每个阵列单元精确相位控制的需求。本发明对于构建射频OAM无线通信系统,促进射频OAM无线通信系统的实用化具有非常重要的作用。

附图说明

图1是电型源行波环形天线结构示意图;

图2是数值计算中球坐标与直角坐标的转换关系;

图3是天线电流满足分布,l=2时,z=1000λ电场的相位分布图;

图4是天线电流满足分布,l=3时,z=1000λ电场的相位分布图;

图5是天线电流满足分布,l=4时,z=1000λ电场的相位分布图;

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