[发明专利]径向传播OAM波束的环形介质谐振腔天线

说明书

本发明公开一种径向传播OAM波束的环形介质谐振腔天线。本发明整体结构为沿侧壁周向环形开缝的环形介质谐振腔，环形介质谐振腔由环形金属腔和中间填充介质组成。环形介质谐振腔可以看作是同轴线谐振腔。环形介质谐振腔中介质外半径为同轴线外导体内半径，介质内半径为同轴线谐振腔内导体半径。环形介质谐振腔高度为同轴线谐振腔的高度。开缝处位于金属侧壁对应介质侧壁正中间位置。内部填充介质由各项同性的均匀介质填充。本发明结合同轴线谐振腔和环形行波天线结构，设计了一种内部填充介质产生径向传输的射频轨道角动量波束的天线结构。本发明能够减小天线口径，提高无线通信系统的信道容量和传输效率。

技术领域

本发明属于OAM无线通信领域，涉及一种基于环形行波天线理论的径向传播携带轨道角动量(OAM)射频波束的环形介质谐振腔天线。

背景技术

随着互联网和移动通信的快速发展，无线通信已经融入进生活的方方面面之中。无论是近距离的NFC、蓝牙、WIFI技术，还是远距离的4G通信技术、5G通信技术，一张张无线通信网络已经在人们身边悄然搭起。然而，对于移动通信系统大容量高速率的需求，无线频谱资源受限的问题日益凸显。基于频率、相位、振幅这些电磁波常规调制方法已经得到较为充分的开发和利用，在通信容量上，这些维度的深度挖掘已经无法在根本上改变通信容量不足的现状。所以，从长远角度来看，寻找一种全新的物理维度加以利用，才是切实可行的办法。携带有轨道角动量(OAM)的涡旋电磁波通信正是在这个背景下应运而生。

电磁波不仅具有能量，而且还可以携带角动量。携带的角动量又可以分为自旋角动量和轨道角动量。其中，轨道角动量是电磁波的基本物理属性之一，反映电磁波围绕传播方向轴的周向相位变化参数。相位变化的周期数定义为涡旋结构的拓扑荷l，即OAM的阶数，可以取任意整数。对于任意确定频率的电磁波，全部OAM波束构成一组相互正交的、数目无限多的本征模式集合。OAM通信正是利用了携带不同轨道角动量波束相互正交这一特点，提供了一个新的可供复用的参数维度，即不同l值代表不同的信息通道。而且，l值在理论上有无穷个，如果能够在实际中得以应用，将大幅度的提高通信容量，从根本上解决频谱资源不足的问题。

目前，对于轨道角动量波束的研究主要集中于光波段和射频波段。光频轨道角动量波束可以通过螺旋相位板，全息图形等方法产生。射频轨道角动量波束可以使用螺旋抛物面天线，螺旋相位板，阵列天线等方法产生。这些方法产生的OAM波束在波束中心都存在相位奇点，该点并不携带轨道角动量。随着传播距离的增加，中心奇点区域逐渐变大，不利于接收天线在远距离接收信号。因此，径向传播的射频OAM波束很好的避免了这个问题，为远距离传播OAM波束提供了一条新的途径。在此基础上，如何在天线有限口径的情况下，将径向传播的OAM波束更好的应用到实际之中便显得格外重要。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种基于环形行波天线的径向传播OAM波束的环形介质谐振腔天线。

本发明解决技术问题所采取技术方案为：

本发明环形介质谐振腔天线的结构为沿侧壁周向环形开缝的环形介质谐振腔。环形介质谐振腔由环形金属腔和介质组成，介质填充在环形金属腔。环形介质谐振腔可以看作是同轴线谐振腔，，环形介质谐振腔中介质外半径为同轴线外导体内半径b，介质内半径为同轴线谐振腔内导体半径a。环形介质谐振腔高度为同轴线谐振腔的高度h。开缝处位于金属侧壁对应介质侧壁正中间位置。按照所需产生的OAM阶数l，设计环形介质谐振腔周长，使其工作在TM_l10模式，沿缝隙向外辐射阶数为l的径向射频OAM波束。所述的环形介质谐振腔，根据环形行波天线理论采用双端口激励馈电。当两个激励端口中输入频率相同且相位相差π/2的激励源时，环形介质谐振腔中的电磁波以行波形式绕圆周顺时针或逆时针传播；若需要产生阶数为l的OAM波束，则两个馈点之间的弧度γ＝((2m+1)π)/2l，m取值为0至l-1之间的任意整数；环形金属腔的馈电处周长为其中，ε为填充介质的相对介电常数。因此，在环形介质谐振腔底面半径相同弧度相差γ的圆周处开两个通孔，并在介质的相同位置出打两个非通孔，用以插入探针馈电。