[发明专利]用于轨道角动量远距离通信的圆环阵列结构及其激励方法

说明书

本发明涉及一种用于轨道角动量远距离通信的圆环阵列结构及其激励方法，其中所述结构包括同轴设置的一组径向均匀圆环阵列和一组切向均匀圆环阵列，径向均匀圆环阵列包括若干个沿该径向均匀圆环阵列所在的第一圆环径向排列且等间隔分布的第一阵元，所有第一阵元的初始电场矢量方向均沿所述第一圆环径向背对或面对该第一圆环的圆心；切向均匀圆环阵列包括若干个沿该切向均匀圆环阵列所在的第二圆环径向排列且等间隔分布的第二阵元，所有第二阵元的初始电场矢量方向均沿所述第二圆环切线方向顺时针或逆时针排布。本发明可以产生多模复用的且具有不同模态值的携轨道角动量涡旋电磁波，从而有效降低轨道角动量模间干扰，并达到增加传输距离的效果。

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种用于轨道角动量远距离通信的圆环阵列结构及其激励方法。

背景技术

根据量子力学和麦克斯韦理论，天线辐射的电磁波具有波粒二象性，可以像运动粒子一样携带线动量与角动量。电磁波角动量包括自旋角动量(Spin Angular Momentum，SAM)和轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)两部分，其中，SAM与光子旋转相关，表现为电磁波的左旋或右旋圆极化，仅有(表示约化普朗克常量)两个正交状态；OAM则与光子波函数空间分布相关，是所有“涡旋电磁波”的基本属性，表现为波束具有螺旋状等相位面并且沿螺旋线传播(如图1所示)。

自1992年Allen等人首次试验证实了具有exp相位因子的拉盖尔-高斯涡旋光束可携带轨道角动量，由此广泛开展了针对能够携带轨道角动量的电磁波的研究，其中，至关重要的一个原因是在理论上OAM有无穷多个本征态，且不同模态之间相互正交，因而在现有通信技术的基础之上，利用携带轨道角动量的电磁波作为信息传输过程中的载体可以极大提高通信系统容量，提升频谱利用率。

针对涡旋电磁波多个本征模态的复用，现阶段普遍采用“大圈套小圈”的共轴传输方式。在毫米波与可见光频段，通常采用准光学器件分束镜将多个独立产生的单模态OAM波在空间上上叠加合成多模态复用波束。基于该技术途径，2012年Wang等人提出并演示了4路OAM模态复用的光通信实验，频谱效率达到了25.6bit/s/Hz。在微波频段上，实现共轴复用的技术途径比较单一，即，设计可同时辐射多个OAM模态的一体化天线，例如：同心圆环阵列天线。所以如何简单高效地产生携带轨道角动量的电磁波，并且对分别携带不同模态值的轨道角动量电磁波进行复用就显得至关重要了。

如今有很多的方法可以产生携带轨道角动量的电磁波，比如有螺旋相位板、时间开关阵列、抛物面天线以及同向均匀圆环阵列天线等，其中，同向均匀圆环阵列天线的结构图如图2所示(图2中箭头的指向为天线的极化方向，相位可顺时针递增，也可逆时针递增)。但是这种结构下产生的携带轨道角动量的涡旋电磁波束具有螺旋相位波前结构，因此在传播方向上通常都存在着相位奇点和方向图零陷，换言之，涡旋电磁波束的主瓣方向与传输方向之间存在着一个夹角，且夹角大小取决于OAM模态值、UCA半径、电波频率等多种因素。主瓣方向与传播方向的不一致，导致了OAM波束在传播路径上的发散，功率损失严重，有效通信距离很近(传输过程可如图3所示)。

由于微波通信的传输环境相对复杂，无线信道质量不稳定；涡旋电磁波的传输不仅受到传输介质的影响，还会有电波绕射与多径等小尺度衰落的干扰。因而，波前的螺旋相位更易出现畸变，导致OAM模态正交性的恶化，频谱效率难以大幅提升；同时，各个模态之间形成的串扰，将严重影响通信的质量。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种用于轨道角动量远距离通信的圆环阵列结构及其激励方法，以实现降低模间干扰的轨道角动量增程复用，提高天线增益。

本发明之一所述的一种用于轨道角动量远距离通信的圆环阵列结构，其包括：同轴设置的一组径向均匀圆环阵列和一组切向均匀圆环阵列，其中：