[发明专利]机械可重构阵列天线产生多模态轨道角动量的装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种机械可重构阵列天线产生多模态轨道角动量电磁涡旋波的装置及方法，可用于射频和微波波段。

背景技术

由于移动智能终端的普及和相关数据服务技术的飞速发展,促使无线业务需求呈现爆炸式增长。但是,无线频谱资源的有限性、独占性和稀缺性极大地限制了无线通信技术的发展,为此人们先后提出了时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)、正交频分复用(OFDM)等多种复用技术来提高无线频谱的利用率。然而,从马可尼时代开始的无线通信技术一直主要是以信号的幅度、相位、频率等形式利用电磁波辐射的线性动量进行信息传输,并且在同一时间、同一码域里一个频带只能传输一路信息,其容量已经接近香农极限，故提出轨道角动量这一新的技术来满足未来移动数据的需求。

轨道角动量涡旋波近些年得到了广泛的研究与应用，然而射频和无线通信领域的研究与应用相对滞后。直到2007年，瑞典的B.Thide等通过运用阵列天线产生轨道角动量的方法成功将其应用于射频无线通信领域，由此OAM电磁涡旋场在无线通信中的应用逐步成为当今的研究热点。到目前为止，用于产生轨道角动量波束的主要方法为旋转相位板、螺旋抛物面和阵列天线。

这几种方案中，旋转相位板在光波段的使用最为广泛，其特点在于理论与结构简单，可以双极化激励，转换效率较高；但是在射频微波波段，其产生的波束发散角较大不利于远距离传输，介质板对波束的反射会降低发射效率，复用方案复杂等问题限制了这一在光频段应用广泛的方案。而螺旋抛物面则是将已有的抛物面天线弯曲螺旋成螺旋曲面，由于抛物面的汇聚作用，可以将发散的微波轨道角动量波束汇聚，但是，这种结构很难产生多个模态的轨道角动量涡旋波束，且不稳定性强、不易于制作。

阵列天线技术近些年得到了广泛研究，并且应用于很多领域，如通信、传感、能量收集、雷达等，这也为使用阵列天线产生携带有轨道角动量的涡旋波束提供了较好的理论和技术基础。阵列天线产生轨道角动量的思想基于相控阵理论，即控制阵列天线各单元的幅度与相位，使得阵列整体产生轨道角动量涡旋波。阵列天线产生轨道角动量的装置一般包括功分移向馈电网络和平面阵列天线，利用功分移向馈电网络来保证N个阵列天线单元的激励幅度相等，激励相位差Δφ_l为2πl/N，从而产生相应模态l的轨道角动量。

例如，申请公开号CN 106887718 A，名称为“一种基于超表面阵列天线产生轨道角动量波束的装置”的专利申请，公开了一种基于超表面相控阵列天线产生轨道角动量波束的装置。该装置包括相控阵列贴片天线，带金属管和馈线的移相功分馈电网络。虽然该装置创造性地提出了一种简单的相控阵天线结构，但功分网络一确定，该装置就只能产生一种模态的轨道角动量，导致该装置功能单一，该装置为了确保不同阵列单元之间的相位关系，馈电网络中的移向器必不可少，导致该装置馈电网络复杂；又如申请公开号CN 106058490 A，名称为“一种产生涡旋电磁波的方法”的专利申请，公开了一种利用阵元总数为N的阵列天线产生涡旋电磁波的方法。该方法通过调节阵元数目和阵元排布方式来产生不同模态l的轨道角动量。虽然该方法阵列单元形式不限，阵列排布方式灵活，但该方法在产生不同模态的轨道角动量时，需要重新设计阵元结构及排布方式，导致设计过程复杂。

综上所述，现有阵列天线产生轨道角动量的技术，一个装置只能产生一个模态的轨道角动量，且馈电网络复杂，要产生不同模态的轨道角动量时，需要重新设计阵元结构及排布方式，存在设计过程复杂的问题，从而限制了该技术在微波频段的广泛应用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种机械可重构阵列天线产生多模态轨道角动量的装置及方法，旨在实现产生装置的机械可重构特性，产生多模态轨道角动量。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种机械可重构阵列天线产生多模态轨道角动量的装置，包括馈电网络和位于其上方的阵列天线，所述馈电网络，包括第一介质基板1和印制在其上表面的第一金属地板2，所述阵列天线，包括N个固定在馈电网络上方的单臂螺旋天线单元3，形成环状结构，用于辐射轨道角动量涡旋波，其中，4≤N≤14，且为整数；所述单臂螺旋天线单元3包括单臂螺旋辐射体31和同轴线32，所述单臂螺旋辐射体31可绕同轴线32旋转，用于实现多模态轨道角动量的相位补偿特性；所述第一介质基板1的下表面印制有微带功分器4，其各输出端口通过同轴线32，为N个单臂螺旋辐射体31提供等幅同相的激励。