[发明专利]一种产生双模OAM涡旋电磁波的SIW环形缝隙天线

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种产生双模OAM涡旋电磁波的SIW(基片集成波导，Substrate Integrated Waveguide)环形缝隙天线。

背景技术

随着无线通信技术的蓬勃发展，智能终端的普及以及移动互联网应用的急速发展，越来越多的移动设备投入使用，这导致了频谱利用率和信道容量已经趋于极限。

为解决这一矛盾，过去十多年相继出现了各种信道复用技术，从1G的频分复用，2G的时分复用，3G的空分复用到4G的正交频分复用，这些技术已逐渐趋于成熟。尽管如此，容量需求与频谱资源短缺的矛盾日益突出。针对这样的情况，轨道角动量复用技术的出现，对解决这些问题将发挥重要的作用。将轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)的模式数l作为调制参数，利用OAM模式的正交性，以及理论上的无穷维，可以大大增加传输能力。

传统的射频电磁波具有平行的等相位波前面，而涡旋电磁波的等相位波前面呈涡旋状，是一种携有新自由度-轨道角动量的电磁波。决定涡旋电磁波相位分布的是相位因子exp(jl中)。受到相位因子的影响，涡旋波束的相位波前面绕着涡旋中心旋转一周，其相位改变2πl，其中l为不同的轨道角动量模式数。

目前，产生涡旋电磁波有三种主要方式：(1)螺旋反射面天线；(2)螺旋相位板(Spiral Phase Plate，SPP)；(3)圆形相控阵天线。然而，前两种方法都面临巨大的挑战——体积庞大，难以制造。这对于将来高度集成的移动通信设备来说，是无法接受的。第三种圆形相控阵天线是一种合适的方式，因为它易于生成多阶OAM模式，但是其阵列设计和馈电网络设计是当前最大的问题。尤其是馈电网络的设计，是整个工作中最难的部分，它难于集成到阵列中去。因为要实现涡旋电磁波，必须选择合适的阵列半径(0.5λ～1.5λ)，而且锲入馈电网络，将严重影响阵列的设计。

发明内容

针对上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种产生双模OAM涡旋电磁波的SIW环形缝隙天线，能够避免复杂馈电网络的设计，同时缩小了天线尺寸，提高了天线的紧凑型和集成度。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

一种产生双模OAM涡旋电磁波的SIW环形缝隙天线，所述SIW环形缝隙天线的横截面为圆形横截面，记圆形横截面的圆心为O，所述SIW环形缝隙天线由上层金属面、中间介质基板以及下层金属面组成；

所述SIW环形缝隙天线上由外到内依次分别设置有多个金属化通孔、环形辐射缝隙以及三个馈电同轴探头，所述多个金属化通孔沿圆周均匀排列；

其中，沿圆周均匀排列的多个金属化通孔形成SIW圆形谐振腔，且每个金属化通孔直径相等，每个金属化通孔依次贯穿上层金属表面、中间介质基板以及下层金属地面，每个金属化通孔分别与所述上层金属表面、所述下层金属地面电连接；

所述环形辐射缝隙蚀刻在所述上层金属表面上；

所述三个馈电同轴探头为在所述环形辐射缝隙内侧沿圆周方向均匀分布的三个实心金属柱，每个实心金属柱依次贯穿上层金属表面、中间介质基板以及下层金属地面，每个实心金属柱分别与所述上层金属表面、所述下层金属地面电连接，且每两个馈电同轴探头与圆心O之间组成120度夹角。

本发明技术方案的特点和进一步的改进为：

(1)所述SIW圆形谐振腔的半径为17.5毫米至18毫米，所述SIW圆形谐振腔的半径为SIW圆形谐振腔的任一金属化通孔到圆心O的距离；

所述环形辐射缝隙的宽度为1毫米至2毫米；

所述三个馈电同轴探头与圆心O之间的距离分别为9毫米，且每个馈电同轴探头的直径为1毫米。

(2)通过改变环形辐射缝隙的内半径，得到具有不同OAM模式的涡旋电磁波，所述不同OAM模式包含OAM模式l＝±1，以及OAM模式l＝±2。

(3)当环形辐射缝隙的内半径为13.3毫米至15毫米时，所述SIW圆形谐振腔形成TM₁₁₀谐振模式，从而得到OAM模式l＝1的涡旋电磁波；

其中，TM_mnp谐振模式表示电磁波的磁场只有横向的磁场分量，而没有垂直于天线表面方向上的轴向磁场分量，下标m表示场沿圆周分布的驻波周期数，下标n表示场沿半径分布的半波数，下标p表示场沿轴向分布的半驻波数。

(4)当环形辐射缝隙的内半径为10.6毫米至11.9毫米时，所述SIW圆形谐振腔形成TM₂₁₀谐振模式，从而得到OAM模式l＝2的涡旋电磁波；