[发明专利]基于介质集成波导径向传播多模OAM波束的天线

说明书

本发明公开一种用于轨道角动量模式发射的基于介质集成波导(SIW)径向传播多模OAM波束的天线。本发明基于介质集成波导，通过金属探针作为底馈激励，在SIW环形谐振腔中激励出两个正交模式从而产生径向传播的OAM波束。由于SIW体积小、重量轻等优点，更利于天线的集成和小型化。此外，与传统的射频OAM产生方法相比，通过此方法产生径向传播的OAM波束，在传播路径上没有相位奇点，也不存在波束发散的问题，故可将八个不同OAM模态的波束进行合成构成结构化波束。得到的结构化波束能实现360°范围内的全向扫描，可被用于OAM通信、雷达探测等多个领域。

技术领域

本发明涉及一种基于介质集成波导径向传播多模OAM波束的天线，注重平面轨道角动量波束的产生和叠加，构成结构化波束以实现远距离通信、雷达探测等多种应用。

背景技术

目前，在射频领域，对于轨道角动量的产生方法主要集中在螺旋相位板，赋型抛物面天线，阵列天线，环形谐振腔等。由OAM波束的相位分布可知，中心的相位奇点会导致OAM波束中心强度为零，而通过上述几种方式产生的传统OAM波束均存在波束发散性问题，故波束中心的“黑斑”会随传播距离的增加而显著增大，这将导致接收端的接收天线因结构庞大而加大接收难度。且对于不同模态的OAM而言，不同的波束发散角将为不同OAM模态的叠加和复用提出了更大的挑战。综上所述，使用传统OAM波束不利于远距离通信以及不同OAM模式间的叠加复用。相比于沿主轴传播的传统OAM波束，平面OAM波束沿径向传播，使波束发散不再是问题。此外，在保留OAM特性的同时，由于场的相位奇异性位于天线本身的位置，可以解决由于长距离传输中存在的中心黑斑问题。由此可见，平面OAM波束的提出使得实现不同OAM模式的同轴传播成为一种可能。

不同模态之间的OAM波束叠加可实现波束赋形。波束赋形在无线通信、雷达探测、认知无线电等领域均有着广泛的应用。相比于传统的全向和定向天线，波束赋形天线具有更高的增益和灵活性。传统的波束赋形主要通过相控阵来实现，但是相控阵在波束扫描过程中，存在扫描范围较小、波束形状畸变等问题。而利用结构化OAM波束实现的波束赋形和扫描避免了传统波束赋形技术所需要的机械扫描和复杂的馈电网络，在保证波束形状不变的情况下，实现360°的全向扫描，是一种具有高度灵活性和全向扫描范围的技术。因此，如何产生结构化OAM波束以实现波束赋形显得尤为关键。传统利用环形谐振腔缝隙天线产生径向传播的OAM天线具有体积大，不利用集成等多个缺点，因此，寻找一种结构简单、便于复用、无波束发散问题且能实现不同OAM模态叠加的射频OAM波束产生方法对于未来的射频OAM高速通信以及雷达探测领域等多个领域均具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于介质集成波导径向传播多模OAM波束的天线，本发明利用N个环形谐振腔叠加实现N个OAM波束的合成以构成结构化波束，可用于雷达探测、通信等多个领域。

本发明解决技术问题所采取技术方案为：一种基于介质集成波导径向传播多模OAM波束的天线，它的整体结构由N个基于半模介质集成波导的环形谐振腔依次等间距叠加构成；所述N个环形谐振腔沿天线的中心面上下对称分布，第个环形谐振腔与第个环形谐振腔的结构相同，N选自4、6、8、10、12，K为小于的自然数；同时激励所述N个环形谐振腔，产生N个径向辐射的OAM波束，叠加形成结构化OAM波束。

进一步地，所述基于半模介质集成波导的环形谐振腔通过以下方法制备得到：在圆形基底介质上贴半径相同的圆形金属贴片，沿圆周均匀开一圈通孔，对通孔的孔壁进行金属化。圆形基底介质的半径R满足其中l表示OAM模态数，ε_r为介质基板的介电常数，比例系数p的取值满足6≤p≤7；所述通孔组成的圆与圆形基底介质同心，且半径r满足r≈0.55R。

进一步地，所述单个谐振腔使用金属探针作为底馈激励谐振腔，采用四点馈电方案使得在环形谐振腔中激励出两个正交模式且电场强度分布在一个圆周上尽可能均匀。馈电之间的夹角φ满足φ＝(2m+1)π/2l,m＝0,1,2…,l-1，相位相差±90°其中l为OAM的模态数。