一种产生涡旋电波的缝隙天线阵列的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于无线通信设备技术领域，涉及一种产生涡旋电波的缝隙天线阵列及其使用方法。
【背景技术】
[0002]随着社会的发展，人们对无线通信系统容量的要求日益提高。由于通信频带资源有限，如何有效提高通信频带利用率，引起了国内外的广泛关注。1992年，Alien等证明了光波不但携带自旋角动量，而且携带轨道角动量。其中，轨道角动量可以有无限个模式(又可称为拓扑荷)。见 Allen，L.，et al., “Orbital angular momentumof light and the transformat1n of Laguerre-Gaussian laser modes.PhysRev A, 1992.45(11):p.8185-8189。轨道角动量应用在微波中时，每个模式都可以携带信息。这样理论上可以通过无限提高频带利用率，达到无限提高通信容量的目的。2007年，Thid6等通过软件仿真首次实现了电磁领域的涡旋电波，该涡旋电波是由天线阵列实现，见 Bo Thideet al., “Utilizat1n of photon orbital angularmomentum in the low-frequency rad1 domain, Phys.Rev.Lett., vol.99, n0.8, Aug.2007，pp.087701-1-087701-4。从这之后，能够产生涡旋电波的天线的研究受到越来越多的人的重视。2013年，以Vivaldi天线作为单元的阵列，成功产生了涡旋电波，见C.Deng et al., “Generat1n of 0AM Rad1 Waves Using Circular Vivaldi AntennaArray.，，Internat1nal Journal of Antennas and Propagat1n, 2013.2013:p.1-7。
[0003]目前，产生涡旋电波的天线，有圆形天线阵列、螺旋抛物面天线等，这些方法都能成功的产生涡旋电波。但圆形天线阵列要求天线单元摆放位置精准，螺旋抛物面断口之间的距离不易控制。因此，设计一种简单而且易于加工生产的涡旋天线，具有非常重要的意义。
【发明内容】
[0004]针对现有技术中存在的问题，本申请提供的是一种实现涡旋电波的缝隙天线阵列及其使用方法，其中通过对其金属板如缝隙的具体结构及其设置方式进行研究，与现有产品更易于控制工作频率，同时具备结构简单、面积小、易于加工和使用等优点，因而尤其适用于涡旋电波。
[0005]为实现上述目的，按照发明的一个方面，提供了一种产生涡旋电波的缝隙天线阵列，其特征在于:所述天线包括金属板，在金属板上开的沿半径方向延伸的N个中心对称的缝隙。
[0006]优选地，所述缝隙的长度I取值满足以下关系:1 = λ/2，金属板半径r2满足:γ2>Γι+1 ;其中Γι为缝隙前端距金属板中心的距离，并且^的取值满足缝隙前端不相互连接，金属板的厚度h和缝隙的宽度w要小于λ /10。
[0007]优选地，所述金属板(10)为圆形或者正N边形的具有良好导电性的金属板。
[0008]优选地，当所述金属板为正N边形时，所述缝隙数目和正多边形的边的个数相同。
[0009]优选地，分布在金属板上缝隙个数N满足:N多4。
[0010]按照本发明的另一方法，还提供了上述缝隙天线阵列的使用方法，其特征在于，该方法包括以下步骤:
[0011 ] (I)所述缝隙天线阵列的馈电端口为缝隙的两侧，所述端口由同轴电缆馈电，同轴电缆的内导体接馈电端口的正极，外导体接馈电端口的负极；
[0012](2)缝隙天线阵列工作时，需要给N个端口同时馈电。馈电要求:N个端口的激励同频率、同幅度，相位要依次递增或递减2 Ji m/No
[0013]该馈电方法可以产生波前相位面顺时针或者逆时针旋转方向的拓扑荷为m的涡旋电波。其中拓扑荷m和缝隙天线的个数N满足:-N/2〈m〈N/2。因此，如果要产生拓扑荷较大的涡旋电波，就需要要在金属板上增加缝隙天线的个数。
[0014]按照本发明的另一方法，还提供了在可发射涡旋电波波束的缝隙天线阵列基础上可以进一步设计涡旋电波波束的复用器件，其特征在于:包含多个上述缝隙天线阵列，不同的缝隙天线阵列分布在不同的半径上，多个缝隙天线阵列为同心圆设置，不同的缝隙天线阵列交错分布，实现不同阶数涡旋电波波束的发射。
[0015]对于缝隙天线阵列，要发射阶数为m的涡旋电波波束，则天线阵列的馈电要求为:N个端口的激励同频率、同幅度，相位要依次递增或递减2 Ji m/No在金属板的不同半径上开多个该种缝隙天线阵列，每个缝隙天线阵列发射不同的涡旋电波波束，就可以发射多个不同阶数的涡旋电波波束，实现涡旋电波波束的复用。
[0016]总体而言，按照本发明的上述技术构思与现有技术相比，主要具备以下的技术优占.V.
[0017]1、结构简单、面积小、易于加工和使用；
[0018]2、工作频率易于控制；
[0019]3、很容易实现天线的集成，发射多个不同阶数的涡旋电波波束，从而实现涡旋电波波束的复用。
[0020]本申请与【背景技术】相比具有的有益效果是:涡旋电波无线技术对于提高系统通信容量具有非常大的潜力，所以如何产生涡旋电波的研究是一个重要的课题，本发明提出一种可以产生涡旋电波的缝隙天线阵列，这种天线阵列与以往产生涡旋电波的天线阵列相比，结构简单、面积小、易于加工和使用，对于涡旋电波通信系统来说是一个非常合适的发射信号的天线，涡旋电波技术非常适合应用于下一代移动通信系统中。另外，该缝隙天线阵列很容易实现天线的集成，发射多个不同阶数的涡旋电波波束，从而实现涡旋电波波束的复用。
【附图说明】
[0021]图1 (A)是本发明实施例1的侧视图；
[0022]图1⑶是本发明实施例1的俯视图；
[0023]图1 (C)为垂直于实施例1所示天线传播方向上的某一平面电场；
[0024]图2 (A)是本发明实施例2的侧视图；
[0025]图2⑶是本发明实施例2的俯视图；
[0026]图2 (C)为垂直于实施例2所示天线传播方向上的某一平面电场；
[0027]图3(A)是基于本发明缝隙天线阵列的集成结构实现的涡旋电波波束复用器件侧视图；
[0028]图3(B)是基于本发明缝隙天线阵列的集成结构实现的涡旋电波波束复用器件俯视图。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图对本发明中的天线进行进一步的阐述。
[0030]如图1 (A)、图1⑶所示，本发明的实施例1，包括金属板10，在金属板上开的8个中心对称的缝隙20 ；
[0031]所述金属板10为圆形或者正8边形的具有良好导电性的金属板。在距金属板中心A处开8个中心对称的缝隙20，所述金属板半径r 2为45mm，缝隙前端距中心的距离r ^15mm，金属板的厚度h为2mm，缝隙的宽度w为4mm，缝隙的长度I为15mm。
[0032]所述馈电端口 30由同轴电缆馈电，同轴电缆的内导体接馈电端口 30的正极，外导体接馈电端口 30的负极。
[0033]图1 (C)为本实施例的垂直于天线传播方向上的某一平面电场。
[0034]如图2 (A)、图2 (B)所示，本发明的实施例2，包括金属板10，在金属板上开的8个中心对称的缝隙20 ;和实施例1的区别仅在于:所述金属板10的形状是正8边形。图2 (C)为本实施例的垂直于天线传播方向上的某一平面电场。
[0035]上述两个实施例中，金属板上开的缝隙形状相同，而金属板可以为圆形或者正多边形，其中圆形金属板上可以开的缝隙数目根据具体需要的涡旋电波拓扑荷决定，而正多边形金属板上开的缝隙数目则和正多边形的边的个数一样，即需要的涡旋电波拓扑荷决定正多边形的的边的个数。
[0036]基于本发明缝隙天线阵列的集成结构实现的涡旋电波波束复用器件。
[0037]本发明提供的在可发射涡旋电波波束的缝隙天线阵列基础上可以进一步设计涡旋电波波束的复用器件。对于缝隙天线阵列，要发射阶数为m的涡旋电波波束，则天线阵列的馈电要求为:N个端口的激励同频率、同幅度，相位要依次递增或递减2JI m/Ν。在金属板的不同半径上开多个该种缝隙天线阵列，每个缝隙天线阵列发射不同的涡旋电波波束，就可以发射多个不同阶数的涡旋电波波束，实现涡旋电波波束的复用。
【主权项】
1.一种产生涡旋电波的缝隙天线阵列，其特征在于:所述天线包括金属板(10)，在金属板上开的沿半径方向延伸的N个中心对称的缝隙(20)。2.如权利要求1所述的缝隙天线阵列，其特征在于:所述金属板(10)为圆形或者正N边形的具有良好导电性的金属板。3.如权利要求1所述的缝隙天线阵列，其特征在于:所述缝隙的长度I取值满足以下关系:1 = λ/2，金属板半径r2满足:r2>ri+l ;其中巧为缝隙前端距金属板中心的距离，并且rl的取值满足缝隙前端不相互连接，金属板的厚度h和缝隙的宽度w要小于λ/10。4.如权利要求1-3任意一项所述的缝隙天线阵列，其特征在于:当所述金属板为正N边形时，所述缝隙数目和正多边形的边的个数相同。5.如权利要求1所述的缝隙天线阵列的使用方法，其特征在于:该方法包括以下步骤: (1)所述缝隙天线阵列的馈电端口为缝隙的两侧，其由同轴电缆馈电，同轴电缆的内导体接馈电端口(30)的正极，外导体接馈电端口(30)的负极； (2)将与相对应的按照N个端口的激励同频率、同幅度，相位要依次递增或递减2Ji m/N的方式执行馈电，由此使得所述天线阵列发射涡旋电波。6.由如权利要求1所述的缝隙天线阵列的集成结构构成的涡旋电波波束复用器件，其特征在于:包含多个如权利要求1所述的缝隙天线阵列，不同的缝隙天线阵列分布在不同的半径上，多个缝隙天线阵列为同心圆设置，不同的缝隙天线阵列交错分布，实现不同阶数涡旋电波波束的发射。
【专利摘要】本发明公开了一种产生涡旋电波的缝隙天线，这种新型天线解决了以往涡旋电波天线阵列结构复杂、加工难度大的问题。本发明中的天线阵列为：在一块圆形金属板上开出N个缝隙，每个缝隙沿圆形金属板中心向边缘分布，N个缝隙绕圆形金属板中心对称，每个缝隙单元从中心位置馈电，N≥4。本发明的天线半径为厘米级，可为涡旋通信系统提供一种结构简单、易于生产的涡旋天线。
【IPC分类】H01Q13/10
【公开号】CN105161856
【申请号】CN201510353203
【发明人】刘丹丹, 桂良启, 周聪
【申请人】华中科技大学
【公开日】2015年12月16日
【申请日】2015年6月24日