[发明专利]一种聚束型多模电磁涡旋发生器

说明书

本发明公开了一种聚束型多模电磁涡旋发生器，属于OAM无线通信技术领域。本发明所述发生器包括UCA初级辐射结构、馈电结构和抛物反射面结构；所述UCA初级辐射结构包括N个相同的微带单元以360°/N的角度绕中心作均匀圆周排列；所述馈电结构包括一个一分N路等分功分器、N个移相器和N根传输馈线；所述抛物反射面结构位于UCA初级辐射结构的斜上方，其焦点附近放置于UCA初级辐射结构。本发明所述电磁涡旋发生器通过控制UCA初级辐射结构各单元之间的馈电相位差，在对抛物反射面结构作偏馈照射达到聚束作用的同时，可降低UCA初级辐射结构对反射面结构的遮挡。整个系统能产生携带不同模式的聚束型轨道角动量电磁波，前向辐射性能好，后向辐射弱。

技术领域

本发明属于OAM无线通信技术领域，具体涉及一种聚束型多模电磁涡旋发生器。

背景技术

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态势。在移动通信中，电磁频谱不仅具有开放性，同时具有有限性，这使得如何提高频谱效率成为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。

在不拓展可利用频谱带宽即能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波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，并预言一套修正的光学系统可将高阶拉盖尔-高斯光束转换为高阶数赫米特-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，并验证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)，而角动量又分为自旋角动量(spin orbital momentum)与轨道角动量(orbital angular momentum)。在量子力学中，角动量是基本的物理量，自旋角动量(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表现，垂直于坡印亭矢量方向。

与已有的复用技术不同，轨道角动量电磁波复用技术能够将不同模态的涡旋波作为通信载波，根据所谓模式数或拓扑电荷数区分不同的信道，并且利用轨道角动量不同模式内在的正交性，可在相同载频上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，在理论上，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已有多种方式，但均有不同程度的缺点。如公开号为CN107706518A的专利申请中只能产生模态数为2的轨道角动量电磁波；公开号为CN109546319A的专利申请虽然能产生多种模态的轨道角动量电磁波，但对于轨道角动量的波束中空特性未有改善。

当前的技术所产生的涡旋电磁波，其波束整体呈发散形态，波束中心存在凹陷，中心能量缺失，整体呈现空锥形，且模态数的绝对值越大，空锥的发散角越大，这对于移动通信应用来说具有很大的局限性。因此，设计一种能够同时生成多模态且波束汇聚的、辐射性能良好的电磁涡旋发生器具有较大的意义。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种聚束型多模电磁涡旋发生器。本发明所述发生器能产生多种模态的轨道角动量电磁波，并能有效压缩轨道角动量电磁波的中空波束分离角的大小。首先对UCA(Uniform Circular Array，均匀圆形阵列)初级辐射结构的N个单元天线进行馈电相位差的控制从而产生辐射性能好、后向辐射弱、绝对值为1到N阶(或-1到-N)的初级轨道角动量电磁波，然后由偏馈抛物面反射，便可达到在聚束作用的同时降低初级辐射结构对反射面的遮挡，最终产生聚束型多模轨道角动量电磁波。