[发明专利]一种基于多臂螺旋结构的电磁涡旋发生器

说明书

一种基于多臂螺旋结构的电磁涡旋发生器，属于OAM无线通信技术领域。所述发生器包括多臂螺旋辐射结构、馈电结构和辅助结构；所述辐射结构包括位于介质基板之上的N个相同的旋臂，所述N个旋臂以360°/N的角度沿介质基板的中心线呈旋转对称分布，N为大于1的正整数；所述馈电结构包括一个N路等分功分器、N个移相器、N根同轴馈线和地板；所述辅助结构位于辐射结构的正下方，用于支撑辐射结构。本发明电磁涡旋发生器可以通过控制多臂螺旋天线各旋臂之间的馈电相位差，用同一副天线产生携带不同模式轨道角动量的电磁波，用于无线通信；且产生的轨道角动量电磁波的辐射性能好，后向辐射弱；结构简单紧凑，易加工且便于调试。

技术领域

本发明属于OAM无线通信技术领域，具体涉及一种基于多臂螺旋结构的电磁涡旋发生器。

背景技术

现如今，随着用于信息交换的无线通信技术的迅猛发展，移动终端普及率逐渐上升，移动互联网呈现出爆炸式发展趋势。在移动通信中，电磁频谱不仅具有开放性，同时具有有限性，使得如何通过提高频谱效率成为了推动现代通信技术持续不断发展的动力。统计数据表明，无线业务流量以每年接近100％的速度增长，这意味着未来10年，无线数据流量将增长1000倍。为满足不断增长的移动数据业务需求，迫切需要更高速、更高效、更智能的新一代无线移动通信技术，进一步提升系统容量以及频谱利用率。

在不拓展可利用频谱带宽的情况下提高频谱利用率问题的指引下，近几年，微波波段的轨道角动量电磁涡旋技术逐渐成为研究热点。1992年，荷兰物理学家L.Allen发现拉盖尔-高斯分布的激光束拥有轨道角动量，并预言了一套修正过的光学系统可将高阶数的拉盖尔-高斯光束转换为高阶数的赫米特-高斯光束。2004年，英国格拉斯哥大学天文物理系Gibson等人首次提出将轨道角动量应用于光通信，并证实了利用不同的轨道角动量状态实现多信道独立调制同频传输。根据麦克斯韦方程，电磁波不仅能传播能量还能传播动量，传播的动量可分为线性动量(linear momentum)与角动量(angular momentum)，而角动量又分为旋转角动量(spin orbital momentum)与轨道角动量(orbital angularmomentum)。在量子力学中，角动量是基本的物理量，旋转角动量(SAM)与量子的自旋有关，在光学中对应光的偏振，在电磁学中对应电磁波的极化方式。而轨道角动量(OAM)描述螺旋波束横向旋转模式的空间坐标维度，垂直于坡印亭矢量方向。

与已有的复用技术不同，轨道角动量电磁涡旋复用技术能够将载波所携带的轨道角动量模式作为调制参数，并且利用轨道角动量模式内在的正交性，将多路信号调制到不同的轨道角动量模式上，根据模式数或称拓扑电荷数区分不同的信道。通过这种方式，人们在相同载频上可以得到多个相互独立的轨道角动量信道。由于轨道角动量在理论上可以拥有无穷维阶数，因而可以构成无穷维的希尔伯特空间，由此理论上同一载波频率利用轨道角动量电磁涡旋复用可获得无穷的传输能力。

目前，轨道角动量电磁波的生成多为单模态形式，同一副天线也大多只能生成同一种模态。如公开号为CN107706518A的专利申请中只能产生模态为2的轨道角动量电磁波；公开号为CN107104279A的专利申请中同一频率下也只能产生模态单一的轨道角动量波束，在同一结构下无法实现模态的调控，且后向辐射强，大大限制了其广泛应用；公开号为CN204966687U的专利申请中，同一副天线结构虽然可以实现不同模态的调控，但天线阵每个阵元之间需要保持一定距离，结构不够紧凑。因此，设计一种能够生成多种模态、结构紧凑且单向辐射性能好的电磁涡旋发生器对于未来移动通信具有极大的价值。

发明内容

本发明的目的在于针对背景技术存在的缺陷，提出一种基于多臂螺旋结构的电磁涡旋发生器。该发生器能产生多种模态的轨道角动量电磁波，根据旋臂个数N由馈电相位差控制从而产生辐射性能好、后向辐射弱、绝对值为1到N阶的轨道角动量电磁波。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：