[发明专利]一种基于抛物面反射器和圆环形阵列馈源的OAM发生器

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种基于抛物面反射器和圆环形阵列馈源的OAM发生器，主要用于产生各种模式的OAM射频波束。

背景技术

随着有线接入向无线接入的转移，如何高效地利用无线电频谱资源已成为移动业务发展的关键。为了提高频谱效率，IEEE分别于2004年和2005年成立了针对动态频谱接入的802.22、802.16h和P1900等标准工作组。复用技术允许多路信号综合在同一传输路径(如：载频)上，是提高频谱效率的关键技术。复用技术的发展经历了频分(FDM)、时分(TDM)、码分(CDM)、空分(SDM)以及基于动态谱传感的认知无线电(CR)传输等几个阶段，相应的移动通信系统也从以无线电报、广播以及模拟集群为代表的第一代(1G)发展到以LTE技术为代表的第四代(4G)。因此可以说，复用技术是推动移动通信系统不断发展的引擎。

OAM，即轨道角动量，是除频率(波长)、时间、码型以及空间之外，人们发现的又一种复用资源。根据报道，目前基于OAM复用的通信系统已经具备100Tbits/s以上的数据传输能力。OAM复用以载波的轨道角动量状态为信道标志，即使在载波的其它参数，如频率、时间、空间、码片以及极化状态等，都相同的情况下，理论上也能够产生无穷多的OAM信道，因此可获得几乎无限的传输能力，对频谱效率和系统容量的提升都将会是远超想象的。当然，这在实际上会受到技术水平的限制。

OAM射频波束最显著的特征是其具有螺旋相位波前结构，因此也被称为“无线电涡旋”。发展OAM复用的理论与技术，需系统研究OAM载波的产生、传输以及检测等问题。针对射频OAM波束的生成问题，目前公开报道的只有采用修正抛物面天线和相控天线阵两种方法。

基于修正抛物面天线的方法在抛物面反射面上引入开口从而构成OAM波束的螺旋相位结构因子                                                ，此处、分别表示OAM模式和方位角，通过改变开口的间距来调整所产生的OAM模式。这种方式虽然理论上可以产生任意模式的OAM射频波束，但由于更改其所工作的OAM模式需要变动天线的空间几何结构，因此实际应用上存在不便。目前，在欧洲及美国，基于此方法进行专利申请的有意大利帕多瓦大学(WO 2012175629 A1)、Lambda Sas Di Viviana Marangoni工作室(WO 2013092470 A1)、欧洲通信卫星公司(WO 2014016655 A1)和美国博通公司(US 20130235744 A1)。

相控天线阵方法使用圆环形天线阵构造出螺旋相位因子，通过调整各个阵元的电流相位，可以使阵因子中出现螺旋相位项，这种方式在不需要改变OAM发生器结构的前提下，就可以产生多个OAM模式的射频波束，但所能生成的模式数受到阵元数量的限制，一般为；由于阵因子与阵元结构和类型无关，天线设计比较灵活，因此，一些新的设计方法被提出，例如，浙江大学申请的专利(CN 103474776 A)提出基于环形行波天线的方法，使环形阵列上的阵元天线工作在行波状态，通过改变阵元相位调整所产生射频波束的OAM模式。

OAM波束的特征之一是中空的场分布，即波束中心区域没有电磁场，电磁能量主要集中在半径R为的圆周域内，并且随着传播距离的增加，R会变大，波束变得愈加发散。这使得与普通射频波束相比，OAM射频波束有效传输的距离会更短。

综上，OAM复用能极大提高无线电频谱效率及信道容量，但还存在诸多亟待解决的问题。针对OAM载波生成及传输的问题，本发明提出一种基于抛物面反射器和圆环形阵列馈源的OAM发生器。

发明内容

为了使OAM射频波束传得更远，本发明提出一种基于抛物面反射器和圆环形阵列馈源的OAM发生器，特点是以圆环形阵列天线为馈源，旋转抛物面为反射器，通过组合同时利用了圆环形阵列天线和抛物面天线的优点，减小OAM射频波束的张角，增加了OAM射频波束的质量和传输距离。

在本发明提出的OAM发生器中，馈源使用的是圆环形相控天线阵。螺旋相位结构由阵因子产生，它取决于阵列的结构和阵元的空间取向，但与阵元的类型和结构无关，因此作为馈源的阵列辐射单元可以根据需要随意地替换成贴片天线、行波天线、偶极子甚至分形天线等类型的天线。

在本发明提出的OAM发生器中，由于馈源使用的是相控天线阵列，更改阵元的电流相位即可改变发生器所产生波束的OAM模式，而不必变动发生器的空间几何结构，因此在应用上具有便利性。