[发明专利]低阶OAM阵元环阵同相馈电产生任意阶OAM波的方法

说明书

低阶OAM阵元环阵同相馈电产生任意阶OAM波的方法，涉及微波与天线技术领域。使用N个低阶OAM天线辐射元作为阵元，在圆环上均匀分布阵元形成均匀圆环阵，对均匀圆环阵的各阵元进行同相馈电；阵元的位置不同形成均匀空间相位差，与阵元自身的螺旋相位合成后，产生±(1－N)阶涡旋波。布阵容易，馈电网络简单；通过选择阵元数目产生不同阶数的OAM波。省去复杂馈电网络，减小天线体积，降低天线设计难度。可以产生更高阶的涡旋波，突破传统OAM天线环阵只能产生低于N/2阶涡旋波的限制。阵元可根据实际应用选取和替换。涡旋波在阵轴方向呈现相位奇点，在靠近阵轴区域先表现为固定一阶OAM，尔后区域呈现为(1－N)阶涡旋波。

技术领域

本发明涉及微波与天线技术领域，尤其是涉及一种馈电简单的低阶OAM(OrbitalAngular Momentum)阵元环阵同相馈电产生任意阶OAM波的方法。

背景技术

近年来，随着无线通信技术的飞速发展，频带利用率的问题逐渐凸显。由于用户数量在增加而用于无线通信的频率范围固定，带宽的分配问题已日趋严重。涡旋波通信作为一种有望解决频带利用率低下带宽不足的方法，引起广泛的研究。涡旋波是一种含有轨道角动量的电磁波，具有螺旋形的相位分布和环形的场强分布。不同模式的涡旋波在传播时相互正交，而这种正交特性允许不同模式的涡旋波一起进行多路传输，从而实现基于轨道角动量的空间复用。由于其在理论上具有无限多可实现模式，涡旋波被认为是一种实现高速、大容量、高频带利用率通信的方案。

涡旋波的产生与接收是涡旋波通信的关键技术之一。归结起来，产生涡旋波的方法通常有以下几种：

(1)螺旋相位板法：螺旋相位板法是指将普通的平面波经过螺旋相位板来产生涡旋波的方法。螺旋相位板可以扭曲平面波的波前，即产生了涡旋波。螺旋相位板是一块厚度随方位角成比例改变的微波介质基板。当平面波入射螺旋相位板表面时，由于相位板厚度随方位角变化而变化，各方位角上入射的平面波会有波程差，这种波程差导致了相位的延迟，则平面波透射出螺旋相位板后就会有相应的螺旋形波前结构。

(2)螺旋反射面天线：螺旋反射面天线的工作原理和螺旋相位板类似，但它是利用反射面表面的不均匀性，使反射波在不同的方位上具有不同的波程，从而产生相位差。

(3)均匀圆形天线阵：采用圆形天线阵是产生涡旋波的经典方法之一。这一方法的主要原理是将阵元排列成等间距的圆阵，对阵元施加具有不同相位差的信号，叠加后即可得到沿方位角具有连续相位变化的涡旋波。均匀圆阵是产生涡旋波的最常用方法之一，这种方法设计简单直观，且容易实现。缺点是为了实现连续的相位变化，往往需要引入复杂的馈电网络，导致了整体结构的复杂，限制天线阵的小型化发展。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提供一种馈电简单的低阶OAM阵元环阵同相馈电产生任意阶OAM波的方法，是一种结构简单实现容易的任意阶数涡旋波产生方法。该方法利用涡旋波的阵元产生和天线阵产生的叠加原理。

本发明的具体步骤为：使用N个低阶OAM天线辐射元作为阵元，在圆环上均匀分布阵元形成均匀圆环阵，对均匀圆环阵的各阵元进行同相馈电；阵元的位置不同形成均匀空间相位差，与阵元自身的螺旋相位合成后，产生±(1－N)阶涡旋波。

在圆环上均匀分布阵元，布阵容易；对各阵元进行同相馈电，馈电网络简单；通过选择阵元数目，即可产生不同阶数的OAM波。

特别地，所述作为阵元的低阶OAM天线辐射元，可取正多边形、圆形、环形等结构；低阶OAM天线辐射元实现形式上可以是带接地面的介质基板上的贴片结构，或是不带接地面的贴片或导线结构；选用OAM辐射元的低阶模，最简单是选用可实现1阶OAM模的单天线元。一定数量低阶OAM天线辐射元在一个圆环上呈具有旋转对称性地均匀分布；对同一半径圆环上OAM辐射阵元实施同相馈电的馈电结构。