[发明专利]N臂阿基米德螺旋天线宽带多OAM涡旋电磁波生成方法

说明书

本发明公开了一种基于N臂阿基米德螺旋天线的宽带多OAM涡旋电磁波生成方法，先在电磁仿真软件的时域求解器中建立N臂阿基米德螺旋天线模型，再选取天线模型各部件的具体材质，然后对N个馈电波端口输入相同功率P不同相位分布A_m的正弦激励信号，计算出所有相位分布下对应天线OAM模式l(A_m)的主辐射环区域的等效平均半径r(A_m)的取值范围，最后在天线模型中建立频域远场监控器，通过对N臂阿基米德螺旋天线模型进行仿真，实时检测仿真过程中不同频率处的天线远场强度和相位分布，实现宽带范围内多OAM的产生。

技术领域

本发明属于射频天线技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于N臂阿基米德螺旋天线的宽带多OAM涡旋电磁波生成方法。

背景技术

人类对轨道角动量的探索是从光学领域开始的。1909年，Poynting从理论上预测了电磁场自旋角动量的力学效应，Beth在1936年进行了实验验证。直到1992年，由Allen L等人发布于《Physical Review A Atomic Molecular》45期11刊上的“Orbital angularmomentum of light and transformationof Laguerre Gaussian Laser modes”一文中指出，拉盖尔-高斯振幅分布的激光中具有清晰的轨道角动量，确定了轨道角动量OAM(Orbital Angular Momentum)具有螺旋相位因子的特性e^-jlφ，l是OAM的拓扑核数，φ是方向角，关于轨道角动量的深入研究至此开始。理论上OAM模式数目是无限的，且不同OAM模式之间相互正交并在空间独立传播，张成无穷维的希尔伯特空间，有望被用于扩大通信系统的容量和提高成像领域的成像分辨率。涡旋电磁波的产生是其应用的前提，天线作为无线电波发射和接收的设备，天线的带宽和OAM模式直接决定成像系统径向和方位向的分辨率、通信系统的通信容量，因此，使用天线产生宽带多OAM涡旋电磁波的研究是至关重要的。

自从20世纪90年代Turnbull等人利基于螺旋相位板天线首次在毫米波频段产生涡旋电磁波以来，大量研究学者们也相继提出各种方法来产生射频波段的涡旋电磁波，总体分为4大类不同形式涡旋电磁波生成天线。单一微带贴片天线结构简单、易于实现且制作成本低，但天线的带宽和OAM模式的数目受限。阵列天线具有设计原理简单、结构灵活且可以多OAM模式的特点，但其结构庞大，造价昂贵。超表面天线剖面低、易于波束聚焦，但单元数量多、辐射效率低。行波天线总体分为两大类：一类是谐振腔式行波天线，通过正交馈电方式来产生携带OAM模式的涡旋电磁波仅，但是OAM模式的数目仅1组，且天线的工作带宽为窄带范围；另一类为螺旋形行波天线，具有非频变和易嵌套的特点，有望被用来在宽带范围内，实现携带多OAM模式涡旋电磁波的产生，但是基于N臂阿基米德平面螺旋天线生成宽带多OAM涡旋电磁波的原理尚未完全清晰。因此，提出基于N臂阿基米德螺旋天线的圆极化宽带多OAM涡旋电磁波生成方法，确定馈电网络、天线结构尺寸、OAM模式数、天线带宽之间的关系，这对于OAM在无线通信、目标探测识别和高分辨率成像的应用具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于N臂阿基米德螺旋天线的宽带多OAM涡旋电磁波生成方法，利用N臂阿基米德平面螺旋天线非频变的特点，以及圆形行波天线的辐射机理，用于产生宽带多OAM涡旋电磁波。

为实现上述发明目的，本发明一种基于N臂阿基米德螺旋天线的宽带多OAM涡旋电磁波生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、在电磁仿真软件的时域求解器中建立N臂阿基米德螺旋天线模型，包括一个圆形介质基板和一个金属反射板，以及刻在圆形介质基板背面的金属接地环与刻在圆形介质基板正面的N条金属螺旋线；

其中，N条金属螺旋线均匀绕制且线宽固定不变，金属螺旋线顺时针或逆时针旋转，在N条金属螺旋线的起点或终点位置处建立N条馈电同轴，用于设置馈电波端口；金属接地环与馈电波端口处于同一半径，用于实现阻抗匹配；金属反射板与介质基板同样大小，用于提高天线的增益；