[实用新型]一种多模态OAM涡旋电磁波微带阵列天线

说明书

技术领域

本实用新型涉及天线技术领域，尤其涉及一种多模态OAM涡旋电磁波微带阵列天线。

背景技术

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涡旋电磁波，开创了将轨道角动量应用在无线通信中的先河，提出了利用涡旋电磁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OAM模态的涡旋电磁波和正常电磁波，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，验证了涡旋电磁波的抗干扰能力。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，Bozinovic等人利用OAM复用技术，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，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。