形成了一个变量空间。电磁波传播空间边界条件决定了[kz，kp，k(p] 的不同组合，即定义了电磁波的本征模式。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周环形，圆周绕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，满足分布，其中Φ是圆周角，1为整数，可正可负，如图1 所示，这种天线称为环形行波天线。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(f/p)的1阶0ΑΜ波束。
[0023] 如图2和图3所示，基于环形行波天线的产生径向传播射频0ΑΜ波束的天线，其主 体结构为一个侧面开一圆环缝隙1的金属环形腔2,金属环形腔可看成由矩形波导弯折而 成，工作在TEi。模式，金属环形腔的宽度为矩形波导的宽边a，侧面高度为矩形波导的窄边 b，开缝处设在窄边正中间，金属环形腔的周长为矩形波导的纵向长度，
[0024] 金属环形腔沿圆周的传播常数/V相当于矩形波导的纵向传播常数kz，
，其中k为波数；在金属环形腔一侧顶面相距γ/2π圆周处开两个通孔 3、4,用于连接90°电桥的两个探针，从而作为双源激励端口。当这两个激励端口中输入同 频率，且相位相差±90°的微波源时，金属环形腔中的电磁场成绕圆周顺时针或逆时针传 播的行波分布。若要产生阶数为1的0ΑΜ波束，则γ= ((2m+l)3i)/21，m可取0至1-1之 间的任意整数；环形金属腔的周长为
；金属环形腔的侧壁设置有环 形喇叭5,环形喇叭5由上下对称的两部分组合而成，且组合时环形喇叭5的喇叭底端留有 缝隙，且该缝隙与环形金属腔窄边正中间的圆环缝隙1位置对应；此时侧面开缝圆环处会 向空间辐射电磁波，构成一种磁型源的环形行波天线。从而确保由天线向空间辐射的电磁 波是沿径向向四周传播的，电磁波的z向电场分量远大于其余分量。
[0025] 基于环形行波天线的产生径向传播0ΑΜ波束的天线，要在空间中形成阶数为1的 0ΑΜ波束的发射，金属环形腔的传播常数jy满足々#=1，R为开缝圆环半径。金属环形腔沿 圆周的传播常数^?(矩形波导的纵向传播常数kz)。
[0026] 实施例：
[0027] 在本发明中选择1 = 3,射频频率为10GHz，矩形波导宽边a= 23mm，窄边b= 10mm，金属腔周长C= 118.7_。此时侧面开缝圆环处会向空间辐射电磁波，构成一种磁型 源的环形行波天线。
[0028] 图4是电磁仿真软件CST中得到的环形行波天线在空间辐射的电场相位分布图， 可见电场相位围绕传播方向的圆周角的变化呈现涡旋特性，且电场相位沿圆周一圈变化满 足2π1 = 6π，如图6所示，这说明这种基于金属环形腔的环形行波天线产生1 = 3的射 频OAM波束。图5是本发明的环形行波天线在空间辐射的远场方向图，可见由天线向空间 辐射的电磁波在径向Θ=π/2处的场强是最大的，证明了这种基于金属环形腔的环形行 波天线产生的OAM波束是沿径向传输的。
【主权项】
1. 基于环形行波天线的产生径向传播射频OAM波束的天线，其特征在于射频OAM天线 的整体结构为一个侧面开一圆环缝隙的金属环形腔，金属环形腔由矩形波导弯折而成，工 作在TE 1。模式，金属环形腔的宽度为矩形波导的宽边a，侧面高度为矩形波导的窄边b，开缝 处设在窄边正中间，金属环形腔的周长为矩形波导的纵向长度，金属环形腔的侧壁设置有 环形喇叭，环形喇叭由上下对称的两部分组合而成，且组合时环形喇叭的喇叭底端留有缝 线，且该缝隙与环形金属腔窄边正中间的圆环缝隙位置对应。2. 如权利要求1所述的基于环形行波天线的产生径向传播射频OAM波束的天 线，其特征在于金属环形腔沿圆周的传播常数相当于矩形波导的纵向传播常数kz，其中k为波数；在金属环形腔一侧顶面角度相差γ/2 π圆周处开两个 通孔，用于连接90°电桥的两个探针，从而作为双源激励端口。3. 如权利要求2所述的基于环形行波天线的产生径向传播射频OAM波束的天线， 其特征在于当两个激励端口中输入同频率，且相位相差±90°的微波源时，金属环形 腔中的电磁场成绕圆周顺时针或逆时针传播的行波分布；若要产生阶数为1的OAM波 束，则γ = ((2m+l)3i)/21，m取值为0至1-1之间的所有整数；环形金属腔的周长为4. 如权利要求1所述的基于环形行波天线的产生径向传播射频OAM波束的天线，其特 征在于该射频OAM天线能够产生的径向福射OAM波束。5. 如权利要求4所述的基于环形行波天线的产生径向传播射频OAM波束的天线，其特 征在于金属环形腔的圆环缝隙处会向空间辐射电磁波，构成一种磁型源的环形行波天线， 环形喇叭确保由射频OAM天线向空间辐射的电磁波是沿径向向四周传播的，电磁波的z向 电场分量远大于其余分量。6. 如权利要求4所述的基于环形行波天线的产生径向传播射频OAM波束的天线，其特 征在于该天线能够产生的径向传播OAM波束，且波束传播路径上没有相位奇点，也不存在 波束发散的问题。7. 如权利要求4所述的基于环形行波天线的产生径向传播射频OAM波束的天线，其 特征在于要在空间中形成阶数为1的OAM波束的发射，金属环形腔的传播常数 需满足R为开缝圆环半径。8. 如权利要求4所述的基于环形行波天线的产生径向传播射频OAM波束的天线，其特 征在于阶数不同的能径向辐射OAM波束的射频OAM天线按一定的规律摆放成为天线阵，能 够实现不同阶数OAM波束的发射和复用。9. 如权利要求8所述的基于环形行波天线的产生径向传播射频OAM波束的天线，其特 征在于由不同阶数的基OAM波束的天线构成的OAM波束复用系统，且不同阶数的OAM波束 之间的链路估计差异小。
【专利摘要】本发明公开一种基于环形行波天线的产生径向传播射频OAM波束的天线。本发明整体结构为一个侧面开一圆环缝隙的金属环形腔，金属环形腔由矩形波导弯折而成，金属环形腔的宽度为矩形波导的宽边，侧面高度为矩形波导的窄边，开缝处设在窄边正中间，金属环形腔的周长为矩形波导的纵向长度，金属环形腔的侧壁设置有环形喇叭，环形喇叭由上下对称的两部分组合而成，且组合时环形喇叭的喇叭底端留有缝线，且该缝隙与环形金属腔窄边正中间的圆环缝隙位置对应。本发明结合矩形波导谐振腔和环形行波天线结构，设计了一种能产生径向传输的射频轨道角动量波束的天线结构。本发明能够提高直射信道的信道容量，增长传输距离，从而提高通信系统的传输效率。
【IPC分类】H01Q13/20, H01Q13/02
【公开号】CN105356065
【申请号】CN201510776995
【发明人】张倬钒, 郑史烈, 章献民, 金晓峰, 池灏
【申请人】浙江大学
【公开日】2016年2月24日
【申请日】2015年11月13日