[发明专利]一种TM环形谐振腔和旋转抛物面的多模平面螺旋OAM天线

说明书

本发明公开一种TM环形谐振腔和旋转抛物面的多模平面螺旋OAM天线，属于通信、雷达探测领域，该天线包括4个TM环形谐振腔、固定支柱和旋转抛物面反射器；所述TM环形谐振腔上表面中心处设有与固定支柱配合的凹槽，所述旋转抛物面反射器位于固定支柱的上方；所述旋转抛物面反射器半径为Rr＝75mm，所述旋转抛物面反射器XOZ平面内满足的抛物线方程其中p为两倍焦距且p＝20。该多模平面螺旋OAM天线相对于其他设计方案而言具有高纯度、设计简便、无需馈电网络等优势，而首次实现了8模态PSOAM的高纯度叠加、波束赋形和360°全向扫描。

技术领域

本发明属于通信、雷达探测领域，尤其涉及一种TM环形谐振腔和旋转抛物面的多模平面螺旋OAM天线。

背景技术

随着第五代通信技术的开展，为了解决毫米波高损耗的特性，波束赋形技术在5G时代起到至关重要的作用。波束赋形又叫波束成型或波束形成(beamforming)，波束赋形能够将发射能量集中在特定方向上，可以使得某个方向的发射功率增大而其他方向上的发射功率接近于零，从而达到扩展期望方向的通信距离和避免对其它方向造成干扰的目的。在总发射功率相同的条件下，定向传输比全向传输的通信距离更远。传统的波束赋形是通过阵列天线实现的，往往需要诸多相同天线呈一维线性排列实现。研究发现，通过在同一个主瓣角度叠加不同模态的轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)同样可实现波束赋形。然而，不同模态OAM波束的发散角不同，多个OAM态的波束无法在同一位置进行叠加，这些问题极大地限制了射频OAM在波束赋形中的应用。因此，平面螺旋OAM电磁波(或称PSOAM电磁波)被提出，通过将三维锥形OAM波束压缩到二维平面，不同OAM模态的波束发散角一致，在同一平面内传播，从而实现波束赋形和波束扫描。平面螺旋PSOAM的提出为射频OAM的波束赋形提供了新的途径。

OAM是电磁波尚未被有效利用的基本特性，可为电磁波的调制、复用等提供新的物理参数维度。但是，传统OAM中心存在相位奇点，由于波束的发散特性，随着传播距离的增大，中间的暗区将不断变大，不利于远距离通信和应用。基于平面螺旋OAM叠加的波束继承传统OAM波束的涡旋特性和正交性，可以有效改善OAM存在的问题。该波束也可以应用于测量物体的角向速度及其他电磁感知应用。

因此设计多模平面螺旋OAM天线对于雷达、通信等领域都具有至关重要的意义。然而，目前各高校、研究机构主要工作仍停留在使用环形行波天线、定向阵列天线、介质同轴谐振腔天线和WGM模谐振腔天线等方式产生单模态OAM或平面螺旋OAM。多模平面螺旋OAM叠加波束天线的缺失限制了OAM的应用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有设计空缺，提出一种TM环形谐振腔和旋转抛物面的多模平面螺旋OAM天线，实现了八个模态叠加的赋形波束以及360°全向线性扫描。理论上该发明可推广到更多模态的叠加，实现其在通信、雷达等电磁领域中的应用。对幅相可控的结构化电磁波的具有推动作用。

本发明解决技术问题所采取技术方案为：一种TM环形谐振腔和旋转抛物面的多模平面螺旋OAM天线，包括4个TM环形谐振腔、固定支柱和旋转抛物面反射器；所述TM环形谐振腔上表面中心处设有与固定支柱配合的凹槽，所述旋转抛物面反射器位于固定支柱的上方；所述TM环形谐振腔轴半径分别为：其中，1,2,3,4表示模态l，λ_g等效波导波长；所述固定支柱为圆柱形，其半径为5mm；所述旋转抛物面反射器半径为R_r＝75mm，所述旋转抛物面反射器在XOZ平面内满足的抛物线方程其中p为两倍焦距且p＝20。

进一步地，TM环形谐振腔优选为：R₁＝9mm,R₂＝18mm,R₃＝27mm,R₄＝36mm。

进一步地，TM环形谐振腔1为全金属结构的空心圆柱体。顶部设有宽度为1mm的辐射缝隙结构。