[发明专利]一种产生涡旋电波的缝隙天线阵列

说明书

技术领域

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

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，Allen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 momentum of light and the transformation of Laguerre-Gaussian laser modes.”Phys Rev 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，Thidé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 Thidéet al.,“Utilization of photon orbital angular momentum in the low-frequency radio domain,”Phys.Rev.Lett.,vol.99,no.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.,“Generation of OAM Radio Waves Using Circular Vivaldi Antenna Array.”International Journal of Antennas and Propagation,2013.2013:p.1-7。

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

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。

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。

优选地，所述缝隙的长度l取值满足以下关系：l＝λ/2，金属板半径r₂满足：r₂>r₁+l；其中r₁为缝隙前端距金属板中心的距离，并且r₁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。

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。

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。

优选地，分布在金属板上缝隙个数N满足：N≥4。

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：

(1)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；

(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2πm/N。

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。

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。