[发明专利]基于均匀圆形阵列的多模态可重构轨道角动量天线

说明书

本发明公开的基于均匀圆形阵列的多模态可重构轨道角动量天线，涉及无线通信技术领域，包括馈电网络、天线阵列、馈电探针和同轴探针，其中，馈电网络包括第一介质基板、印制在馈电网络上表面的微带电路和印制馈电网络下表面接地金属板，天线阵列包括多个设置在馈电网络上方的单元天线，其中，单元天线呈均匀圆形排列，同轴探针与微带电路的输入端相连接，馈电探针设置于天线阵列和馈电网络之间，馈电探针的上端贯穿第一介质基板并与馈线的输入端相连接，馈电探针的下端贯穿第二介质基板并与微带电路的输出端相连接，能够实现多模态可重构特性，同时解决了现有技术中由于存在机械惯性而导致调节精度较低、不同模态间的切换速度较慢的缺陷。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于均匀圆形阵列的多模态可重构轨道角动量天线。

背景技术

随着移动互联网、云计算和物联网等新兴技术的发展，以及移动终端设备普及率的上升，使得无线通信容量快速增长，通信系统面临着频谱资源紧张、传输容量不足和通讯信道阻塞等问题。为了缓解有限的频谱资源与不断扩张的无线通信业务之间的矛盾，目前的解决方案包括采用时分、频分、空分和极化复用等技术来提高频谱利用率，这些技术已得到较为充分的开发和利用，通信链路的传输能力已接近极限。此外，无线电频谱特别是低频段优质频谱的使用日益增多，增加的无线信号会造成频谱间的互相干扰，导致电磁环境恶化和通信质量下降。为了进一步提升无线通信系统的性能，需要突破传统的复用技术，而利用涡旋电磁波技术能够形成具有任意轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)模态的电磁涡旋。由于不同模态间的相互正交性，可以将多路信号调制到OAM波束上，实现同一载频上的信息复用传输。此外，还能提高对平面波和其他模态涡旋波信号的抗干扰能力，因而具有提高信道容量和通信可靠性的潜力。

自从2007年瑞典物理研究所的B.Thide等人首次将OAM引入到射频微波频段后，OAM天线已成为涡旋电磁波技术中的一个重要研究方向。相比于具有固定模态数的天线，OAM模态可重构天线将轨道角动量与可重构技术相结合，一方面能够借助单个天线口径产生多种本征模态，通过模态切换增加独立的收发信道，实现对频率的复用和信道容量的增加，并降低由于模态失配而产生的信号衰落；另一方面，通过重构天线辐射电磁波的OAM状态，可以消除电磁环境的影响，提高系统在复杂环境中的干扰抑制能力，此外，在每个时间间隙中通过不同的OAM模态值对波束进行编码传输，可以实现基于OAM的编码功能。

在目前的研究工作中，主要通过相位调制原理和阵列天线技术，间接或直接地形成涡旋电磁波。其中借助于螺旋相位板、阶梯型反射面、透射光栅和电磁超表面等结构对天线波束进行相位调制，能够在原有波束基础上增加螺旋相位因子达到波前扭曲的效果。然而无论是反射型或者透射型结构，特定的几何形状都仅对应一种相位调制模式，因此，利用这些结构通常只能产生具有单一模态的OAM涡旋电磁波。

而对于N元均匀圆形阵列天线，为了产生OAM涡旋波，应使各阵元的激励等幅但有连续的步进相位差，相位差和OAM模态数l满足关系：因此一般需要具有相控特性的馈电网络配置不同的相位差。例如，B.Y.Liu等人提出一种具有1和-1两种可重构OAM模态的偶极子阵列天线，通过在微带馈电网络中加载可调的PIN二极管，并利用PIN二极管的导通和截止形成不同的单元馈线长度，进而产生两种阵元激励相位，但是该方法仅对馈电网络进行移相调控，只能够产生两种可重构模态，若模态数增多将会导致馈电结构复杂、体积庞大。这些结果在文献“B.Y.Liu,G.Y.Lin,Y.H.Cui,et al.An Orbital AngularMomentum(OAM)Mode Reconfigurable Antenna for Channel Capacity Improvement andDigital Data Encoding.Scientific Reports,2017,7(1),pp:1-9.”中有过报道。

此外，西安电子科技大学的李龙等人提出利用单元天线绕同轴线旋转形成不同的阵元间相位差，实现阵列天线的多模态OAM机械可重构特性，但是该方法由于存在机械惯性而导致调节精度较低、不同模态间的切换速度较慢。