一种基于环形行波天线产生射频轨道角动量波束的方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于环形行波天线产生射频轨道角动量波束的方法。本发明环形行波天线在空间分布上呈圆环形，圆环绕Z轴对称，圆环上各点激励源幅度一致，相位沿着圆周满足exp(il)的分布，天线激励源在圆环上呈行波传播，这种环形行波天线在空间的辐射可产生跟其相位分布中l相同阶数的射频OAM波束，调整圆环上各点相位的分布，则可产生不同l阶数的射频OAM波束。本发明提出的方法可用于OAM无线通信系统，与现有通信技术相集成，大大提高了通信系统的容量。
【专利说明】一种基于环形行波天线产生射频轨道角动量波束的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于OAM无线通信【技术领域】，涉及一种基于环形行波天线的射频OAM波束的产生方法。
【背景技术】
[0002]随着全球进入移动互联网时代，移动通信业务的频谱缺口日益严重。由于低频段的优质频谱资源十分有限，仅通过划分新频谱难以满足移动通信的新需求。在这种情况下，发展新技术以提高比特/赫兹的使用效率显得尤为重要。目前，人们在基于电磁波的频谱、相位、振幅等维度以扩大信息容量资源方面进行了大量的研究，如提高频谱利用率新型智能无线通信技术——认知无线电；提高单个载波的频谱效率的信号的高阶相干调制，使频谱效率比串行系统提高近一倍的多载波技术，以及既可增加频谱效率又成倍增加信道容量的MMO通信技术等等。显然基于频谱、相位、振幅这些维度的容量资源已经得到较为充分的开发和利用。虽然在这些维度的渐进式扩容还可以继续进行，但是要实现几个数量级的大幅度扩容，已经没有足够空间。因此，寻找新的物理参数维度实现电磁波通信技术，在有限频谱资源内满足通信容量呈数量级增长的需求，是一个重大科学和技术挑战。轨道角动量(OAM)无线通信就是在这个契机中应运而生。
[0003]电磁波不仅具有能量，而且还有轨道角动量，轨道角动量是电磁波的基本物理属性，反映电磁波围绕传播方向轴的方位角方向的相位变化参数。对于任意频率的电磁波，全部OAM波束构成一组相互正交的、数目无限多的本征模式。OAM通信就是利用OAM模式这一组电磁波本征模式的阶数(取值1)，作为新的可供调制或复用的参数维度资源，即利用不同I值代表不同编码状态或不同信息通道，从而开辟进一步提高频谱效率的新途径。由于I值具有无限取值范围，理论上OAM通信具有可无限增加电磁波承载信息量的潜力。
[0004]目前利用射频OAM这一参数维度应用于无线通信领域尚处于起步阶段，大多数研究侧重于理论分析，开发和研制不同阶数射频OAM波束的产生方法及相应器件是验证OAM波自由空间信道特性，实现射频OAM无线通信系统的基础。迄今为止，大多数OAM波束产生方法均来自于2007年Thide等设计的圆环阵列天线思路，但是该方法产生的OAM波束阶数受到圆环阵列天线数量的限制，假设圆环阵列天线的个数为N，其产生的OAM波束阶数I必须小于N/2，所以寻求一种简单易行的射频OAM波束产生方法对于未来的射频OAM高速通信具有非常重要的意义。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种基于环形行波天线的射频OAM波束的产生方法及基于此方法实现的OAM波束复用。
[0006]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0007]一种基于环形行波天线的射频OAM波束的产生方法:
[0008]任何一种天线，不管是电型源天线还是磁型源天线，只要它的空间分布呈圆环形，圆环绕Z轴对称，圆环上各点激励源幅度一致，相位沿圆环圆周各点连续变化，满足exp(>7的的分布，其中(6)是圆周角，I为整数，可为正或者为负，该类天线可定义为环形行波
天线。即天线激励源在圆环上呈行波传播，I的符号不同表示天线激励源在圆环上呈顺时针或者逆时针方向的行波传播。经过电磁数值计算，这类环形行波天线在空间中的辐射可产生具有螺旋相位exp(//</?)的I阶射频OAM波束，I亦可为正或者为负。其中的射频包含微波波段和毫米波波段。
[0009]本发明与【背景技术】相比具有的有益效果是:
[0010]本发明针对通信业务频谱资源缺口严重问题，提出了一种新的射频OAM波束的产生方法，该发明可用于OAM无线通信系统，与现有通信技术相集成，大大提高通信系统的容量。与【背景技术】中常用的圆环阵列天线实现OAM波束产生方法相比，本发明提出的射频OAM波束产生方法不受限于阵列天线个数，可实现任意阶数射频OAM波束的产生。另外，通过多个环形行波天线的集成，可实现OAM高速通信必需的OAM波束复用器的设计，达到不同阶数
射频OAM波束的复用。本发明中要求的环形行波天线上的相位分布exp(//p)很容易实现，
且可通过多种技术达到要求，避免【背景技术】中利用圆环阵列天线产生OAM方法中对每个阵列单元精确相位控制的需求。本发明对于构建射频OAM无线通信系统，促进射频OAM无线通信系统的实用化具有非常重要的作用。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是电型源行波环形天线结构示意图；
[0012]图2是数值计算中球坐标与直角坐标的转换关系；
[0013]图3是天线电流满足I=丨()exp(//p)分布，1=2时，Z=IOOO λ电场的相位分布图；
[0014]图4是天线电流满足l=l()exp(//p)分布，1=3时，Z=IOOO λ电场的相位分布图；
[0015]图5是天线电流满足IH')exp(ikp)分布，1=4时，ζ=1000 λ电场的相位分布图；
[0016]图6是天线电流满足I=I()exp(ilq))分布，1=5时，ζ=1000 λ电场的相位分布图；
[0017]图7是一种产生射频OAM波束的环形行波天线实例结构图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图对本发明做进一步详述:
[0019]1.基于环形行波天线的射频OAM波束的产生。
[0020]假设环形行波天线为电型源天线，如图1所示，天线上的电流分布满足I=I exp()7的的分布，计算该环形行波天线在空间中的辐射场。
[0021]基本思路为:把圆环天线分割成N段，保证每一小段天线长度AL〈〈波长λ，因为该小段天线上电流幅度相同，相位也可视为相同，则该小天线可当作电偶极子，其在空间的远场辐射可用电偶极子天线的远场辐射公式来计算，如下:
【权利要求】
1.一种基于环形行波天线产生射频轨道角动量波束的方法，其特征在于:所述的环形行波天线在空间分布上呈圆环形，圆环绕Z轴对称，圆环上各点激励源幅度一致，相位沿着圆周满足exp(i#)的分布，P为圆周角、I为整数，天线激励源在圆环上呈行波传播，I可为正，亦可为负，符号的不同表示天线激励源在圆环上呈顺时针或者逆时针方向的行波传播，这种环形行波天线在空间的辐射可产生跟其相位分布中I相同阶数的射频OAM波束，调整圆环上各点相位的分布，则可产生不同I阶数的射频OAM波束。
2.根据权利要求1所述的一种基于环形行波天线产生射频轨道角动量波束的方法，其特征在于:所述的天线激励源为电型源或磁型源。
3.根据权利要求1所述的一种基于环形行波天线产生射频轨道角动量波束的方法，其特征在于:所述的射频OAM波束包含微波和晕米波频段。
【文档编号】H01Q7/00GK103474776SQ201310433063
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月22日 优先权日:2013年9月22日
【发明者】郑史烈, 章献民, 池灏, 金晓峰 申请人:浙江大学