一种多模态oam涡旋电磁波微带阵列天线的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及天线技术领域，尤其涉及一种多模态0ΑΜ涡旋电磁波微带阵列天 线。
【背景技术】
[0002] 根据经典电动力学理论，电磁福射可以同时携带能量以及角动量，角动量是由描 述极化状态的自旋角动量（Spinangularmomentum，SAM)和描述螺旋相位结构的轨道角动 量（Orbitalangularmomentum，0ΑΜ)组成。自旋角动量与光子的自旋相关，呈现出一种圆 偏振的表现形式，20世纪初Poynting就预测了SAM的存在，但是直到1936年Beth通过实验 验证之后SAM才被广泛应用，而0ΑΜ是与光子的空间分布相关。1838年，Airy发现了在透镜 的焦平面上有异常光环形成；1967年，Boivin等人分析发现该光环的能流中存在着绕焦平 面轴线旋转的涡旋，表明光场中存在轨道角动量；1974年，Nye等人将晶体中的缺陷概念引 入波动问题，证明了波前中的相位缺陷是导致光学涡旋产生的原因；1979年，Vaughan等人 分析了具有螺旋波前光束的干涉特性；1981年，Baranova等人分析了散斑光场中的光涡， 发现光涡产生概率是一定的，并且在散斑场中不能形成高拓扑荷的光涡；1989年，Coullet 等人分析了具有高菲涅耳数的激光腔，发现腔内光场具有类似于超流体涡旋的特点，他们 采用Maxwell-Bloch模型从理论角度阐释了涡旋解的存在，促进了关于光束轨道角动量的 研究。直到1992年，关于0ΑΜ光束的研究取得了重要进展：Allen等人证明了在近轴近似 条件下，具有相位因子的LG螺旋激光束每光子具有轨道角动量，这一结论随后被推广到非 近轴近似的情况。自此之后，关于0ΑΜ应用的研究引起了人们的巨大兴趣。0ΑΜ的应用之一 是实现对原子与分子的操纵，这主要利用了其动力学性质。1995年，He等人在实验中发现 0ΑΜ光束的轨道角动量可以传递给物质粒子；1997年，Simpson等人进一步提出光束的轨道 角动量和自旋角动量一样，可以对粒子施加力矩使之转动，并提出了"光学扳手"的概念，他 们发现使用0ΑΜ光束的光镊系统对粒子的束缚能力远高于使用传统高斯光束的光镊，能以 更高的效率实现对微现粒子的分馏和自组织、气捕获和移动等微操作，同时减轻对微粒的 损伤，这对生物分子、细胞、细菌、病毒等研究有着重要意义。无论在光学领域中还是在无线 电领域，0ΑΜ都是表征具有螺旋相位结构波形的自然属性。0ΑΜ在光学中已经被广泛应用， 通过引入0ΑΜ，光通信系统的传输能力得到很大程度的扩展。2007年，Thide等人首次提出 将光子轨道角动量应用于低频，通过仿真验证了可以使用相控阵列天线产生类似拉盖尔高 斯光束的涡旋电磁波，开创了将轨道角动量应用在无线通信中的先河，提出了利用涡旋电 磁波用于扩大无线通信容量的设想，启发了在无线通信中使用0ΑΜ载波的思想。2008年， Garcia-Escartin等人研究了基于光子0ΑΜ的量子复用问题，分析了使用合路器和多路器 来综合量子信道的方案。2010年，Mohammadi等人系统地研究了基于天线阵列的0ΑΜ波束 生成方法。2012年，Edfors等人建议在无线通信系统中使用0ΑΜ技术。同年，Tamburini 等人利用螺旋抛物面天线和八木天线在2. 414GHz的频带上首次验证了携带轨道角动量的 电磁波在无线通信中进行信息传输的可行性。实验采用螺旋抛物面天线和八木天线分别产 生OAM模态的涡旋电磁波和正常电磁波，并在同一频点上，以不同的OAM模态值对不同的波 束进行编码传输。并在上述装置的基础上，在接收端利用相位干涉仪测量波束中电场的相 位差，验证了涡旋电磁波的抗干扰能力。Abhay等人通过仿真分析了螺旋抛物面天线的设计 方法；Wang等人则通过使用0ΑΜ复用技术在自由空间中实现了 2. 56Tbits/s的数据传输， 系统的频谱利用率达到了 95. 7bits/s。2013年，Bozinovic等人利用0ΑΜ复用技术，在光 纤中也实现T比特量级的数据传送。此后，一系列关于0ΑΜ波束生成的方法被报道出来，例 如，Deng等人提出利用Vivaldi天线阵产生0ΑΜ波，Bai等人在圆环形天线阵中使用的矩 形贴片阵元，也成功产生了 0ΑΜ波；Tennant等人提出了时变阵列（Time-switchedarray， TSA)，可使阵列的多个谐波产生OAM特性，可以同时产生多个模态的OAM值。综上，要发展 0ΑΜ复用的理论与技术，需系统研究0ΑΜ载波的产生、传输和检测等问题，因此关于0ΑΜ无线 电波束的生成方法是目前研究的热点。
[0003]目前，结合轨道角动量在相关领域中的研究进展，在无线电频段生成0ΑΜ无线电 波的方法主要有两种手段，分别是螺旋抛物面天线和阵列天线，前者则通过调整抛物面开 口两端的间距产生任意模式的0ΑΜ无线电波束；后者通过控制阵元辐射场的相位差产生想 要的0ΑΜ模式波。2011年，B.Thide等人利用螺旋抛物面天线产生模态值1 = 1的涡旋电 磁波，这种天线是将抛物面天线扭曲成螺旋抛物面结构，形成连续的相位梯度，在物理上模 拟了空间方位角的相位旋转#~接收端则利用两个天线构成一个相位干涉仪，利用相位干 涉法来识别0ΑΜ的模态值。然而，这种0ΑΜ螺旋抛物面天线也有明显的缺陷，其造价高，制作 困难，并且实验中所采用的螺旋抛物面天线结构是一种单一固定结构，不适用于连续相位 控制，即一个确定的几何结构只能产生一种模式的0ΑΜ波，这种单一结构不能同时产生多 种0ΑΜ模态，若需生成不同的0ΑΜ波束，则必须调整开口的大小，在实际无线通信系统中，这 种方法显然是行不通的。除了通过上述天线赋型形式产生携带0ΑΜ的电磁波，还可以通过 改变阵元激励的相位关系来改变发生器所工作的0ΑΜ状态，即构成偶极子天线阵列结构， 这种结构相对容易实现，同时也可以较好的实现产生多模态0ΑΜ的要求。偶极子天线阵列 是产生携带0ΑΜ波束的一种方法，利用电磁波的干涉和叠加原理，将若干辐射单元排列成 阵列，通过调整各阵元辐射场之间的相位差，使辐射能量在空间中重新分配，令某些区域的 场增强而其它区域的场减弱，从而获得单个天线所不能达到的方向性。利用这种原理通过 改变阵元之间馈电相位差的方式就可以产生不同的0ΑΜ模态。但是，这种偶极子阵列天线 半径高达几米到几十米，在进行阵列布置时需要极小的误差才能产生预期的模态值，同时 如此大的尺寸在进行阵列天线调整时也极其复杂，对适用场所条件要求较为苛刻，在实际 通信系统中应用价值并不高。
[0004] 随着无线通信爆炸性的发展，对无线频谱资源的需求正在急速上升。但是，传统的 命令和控制频谱策略导致显著的频谱利用不足，因而目前授权频谱的使用率不高。利用率 和能源效率低下的频谱成为实现无线电技术可持续发展需要迫切解决的瓶颈问题。作为一 个有发展前景的方法以解决频谱效率低下、打破目前频谱利用率不足的僵局，轨道角动量 在最近引起了广泛研究。 【实用新型内容】
[0005] 本实用新型的目的在于通过一种多模态0ΑΜ涡旋电磁波微带阵列天线，来解决以 上【背景技术】部分提到的问题。
[0006] 为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：
[0007] -种多模态0ΑΜ涡旋电磁波微带阵列天线，其包括介质基板、若干阵元以及与各 阵元对应的同轴馈线和输入端口，所述阵元采用圆极化方形切角贴片天线；所述阵元沿圆 周等距排列在所述介质基板的一面，所述介质基板的另一面附上金属薄层作为接地面，所 述输入端口通过同轴馈线连接对应阵元。
[0008] 特别地，所述多模态0ΑΜ涡旋电磁波微带阵列天线包括八个阵元；所述阵元被馈 送相同的信号，相邻两个阵元间有固定的相位差；所述介质基板半径与微带阵列天线辐射 波长相同。
[0009] 特别地，所述八个阵元采用圆极化方形切角贴片天线，所述圆极化方形切角贴片 天线中两个简并模的长和宽分别为5mm，两个简并模辐射出正交极化、幅度相等、相位相差 π/2的电磁波。
[0010] 特别地，所述多模态0ΑΜ涡旋电磁波微带阵列天线产生的0ΑΜ模态数1为：-Ν/2 < 1 <Ν/2,阵元到阵元间具有连续的相位延迟2π1/Ν，其中Ν为阵列天线的阵元个数。
[0011] 特别地，所述多模态0ΑΜ涡旋电磁波微带阵列天线工作在2. 45GHz频段。
[0012] 本实用新型提出的多模态0ΑΜ涡旋电磁波微带阵列天线采用易于赋型的贴片阵 列天线结构代替偶极子阵列天线，同时也弥补了螺旋抛物面