[发明专利]一种基于部分圆环行波天线理论产生结构电磁波束方法

说明书

本发明公开一种基于部分圆环行波天线理论产生结构电磁波束的方法，该方法将天线弯曲成半径为a的圆弧形，对圆弧形天线进行馈电，使得所述圆弧形天线上的电流分布满足产生结构电磁波束。所述OAM模态l为正数时，方位角的指向为所述OAM模态l为负数时，方位角的指向为所述圆弧形天线的半径a与圆环行波天线产生单一模态的OAM波束所要求的半径大小相等。本发明产生结构电磁波束具有定向增益特性、涡旋性和准正交特性。将其应用于无线通信中，定向增益特性，可以提高通信系统的信噪比，改善系统性能，涡旋性增加了空间中场的多样性，准正交特性为复用提供了新的维度。

技术领域

本发明涉及结构电磁波的产生领域，尤其涉及一种基于部分圆环行波天线理论产生主瓣范围内具有相位线性度的定向波束的方法。

背景技术

随着互联网的快速发展以及智能终端的普及，尤其是自动驾驶、智能家居的新兴，人们对无线通信系统大容量高速率的需求日益增加。目前，基于电磁波频率、极化、幅度、相位等维度提高通信容量的技术已经得到充分的开发与利用，电磁波轨道角动量(OrbitalAngular Momentum，OAM)作为一个新的物理维度应运而生，有望缓解有限的频谱资源与日益增长的社会需求之间的矛盾。OAM是电磁波的基本属性，表征电磁波的空间结构。OAM波束的基本特征是场分量携带相位项对于任意频率的电磁波，数目无限的OAM模式在空间中构成相互正交的本征模式，作为可供调控的新的维度资源。

近年来，关于电磁波OAM展开了很多方面的研究，射频域OAM波束存在的三个固有问题限制了射频OAM波束在实际中的应用，一是波束中心存在相位奇点，即中心能量强度为零，二是波束发散，随着传播距离的增加，天线接收口径越来越大，三是不同模态波束的发散角不一致，给不同模态的复用造成困难。因此，如何有效解决或者规避这三个问题成为OAM实际应用中的关键，对未来基于射频OAM波束的高速无线通信具有非常重要的意义。

发明内容

本发明针对射频OAM波束实际应用中存在的三个问题，提出一种基于部分圆环行波天线理论产生结构电磁波束方法，其目的在于产生主瓣范围内具有相位线性度的高增益定向波束，该波束可以等同于不同模态的OAM波束叠加而成的，因此称之为“结构电磁波”。

本发明解决技术问题所采取技术方案为：一种基于部分圆环行波天线理论产生结构电磁波束方法，将天线弯曲成半径为a的圆弧形，对圆弧形天线进行馈电，使得所述圆弧形天线上的电流分布满足产生结构电磁波束。

其中，l为整数，代表OAM模态，为方位角，I₀为馈入天线的初始电流强度，j为虚数单位。

所述OAM模态l为正数时，方位角的指向为所述OAM模态l为负数时，方位角的指向为

所述圆弧形天线的半径a与圆环行波天线产生单一模态的OAM波束所要求的半径大小相等。

进一步地，所述圆弧形天线可以为单根天线或由若干个天线阵元排布成圆弧阵列组成。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：所述圆弧形天线可以为弯成一段圆弧的单根天线，或者将若干根天线阵元排布成圆弧形状的阵列天线，并使得电流分布沿着圆弧满足所述圆弧天线产生的结构电磁波束继承了OAM波束的涡旋特性，即波束主瓣范围内依然满足的空间相位分布。此外，所述的结构电磁波的幅度不再像“甜甜圈”一样均匀地分布在方位角上，而是具有定向增益特性，大部分能量集中于主瓣范围。这表明，所述的结构电磁波具有准正交特性，同时避免了射频域OAM波束中心黑洞和发散性问题，并且通过调节天线半径和天线中心所在的位置，可以控制所述结构电磁波的三维指向。所述结构电磁波束可以用于无线通信，其定向增益特性，可以提高通信系统的信噪比，改善系统性能，涡旋性增加了空间中场的多样性，准正交特性为复用提供了新的维度。此外，在同一个半径上可以放置多个部分圆环行波天线，同时发射多个结构电磁波束。

附图说明

图1是部分圆环行波天线理论模型；