一种基于多臂螺旋结构的电磁涡旋发生器的制作方法

本发明属于oam无线通信技术领域，具体涉及一种基于多臂螺旋结构的电磁涡旋发生器。

背景技术：

现如今，随着用于信息交换的无线通信技术的迅猛发展，移动终端普及率逐渐上升，移动互联网呈现出爆炸式发展趋势。在移动通信中，电磁频谱不仅具有开放性，同时具有有限性，使得如何通过提高频谱效率成为了推动现代通信技术持续不断发展的动力。统计数据表明，无线业务流量以每年接近100％的速度增长，这意味着未来10年，无线数据流量将增长1000倍。为满足不断增长的移动数据业务需求，迫切需要更高速、更高效、更智能的新一代无线移动通信技术，进一步提升系统容量以及频谱利用率。

在不拓展可利用频谱带宽的情况下提高频谱利用率问题的指引下，近几年，微波波段的轨道角动量电磁涡旋技术逐渐成为研究热点。1992年，荷兰物理学家l.allen发现拉盖尔-高斯分布的激光束拥有轨道角动量，并预言了一套修正过的光学系统可将高阶数的拉盖尔-高斯光束转换为高阶数的赫米特-高斯光束。2004年，英国格拉斯哥大学天文物理系gibson等人首次提出将轨道角动量应用于光通信，并证实了利用不同的轨道角动量状态实现多信道独立调制同频传输。根据麦克斯韦方程，电磁波不仅能传播能量还能传播动量，传播的动量可分为线性动量(linearmomentum)与角动量(angularmomentum)，而角动量又分为旋转角动量(spinorbitalmomentum)与轨道角动量(orbitalangularmomentum)。在量子力学中，角动量是基本的物理量，旋转角动量(sam)与量子的自旋有关，在光学中对应光的偏振，在电磁学中对应电磁波的极化方式。而轨道角动量(oam)描述螺旋波束横向旋转模式的空间坐标维度，垂直于坡印亭矢量方向。

与已有的复用技术不同，轨道角动量电磁涡旋复用技术能够将载波所携带的轨道角动量模式作为调制参数，并且利用轨道角动量模式内在的正交性，将多路信号调制到不同的轨道角动量模式上，根据模式数或称拓扑电荷数区分不同的信道。通过这种方式，人们在相同载频上可以得到多个相互独立的轨道角动量信道。由于轨道角动量在理论上可以拥有无穷维阶数，因而可以构成无穷维的希尔伯特空间，由此理论上同一载波频率利用轨道角动量电磁涡旋复用可获得无穷的传输能力。

目前，轨道角动量电磁波的生成多为单模态形式，同一副天线也大多只能生成同一种模态。如公开号为cn107706518a的专利申请中只能产生模态为2的轨道角动量电磁波；公开号为cn107104279a的专利申请中同一频率下也只能产生模态单一的轨道角动量波束，在同一结构下无法实现模态的调控，且后向辐射强，大大限制了其广泛应用；公开号为cn204966687u的专利申请中，同一副天线结构虽然可以实现不同模态的调控，但天线阵每个阵元之间需要保持一定距离，结构不够紧凑。因此，设计一种能够生成多种模态、结构紧凑且单向辐射性能好的电磁涡旋发生器对于未来移动通信具有极大的价值。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对背景技术存在的缺陷，提出一种基于多臂螺旋结构的电磁涡旋发生器。该发生器能产生多种模态的轨道角动量电磁波，根据旋臂个数n由馈电相位差控制从而产生辐射性能好、后向辐射弱、绝对值为1到n阶的轨道角动量电磁波。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于多臂螺旋结构的电磁涡旋发生器，其特征在于，所述发生器包括多臂螺旋辐射结构、馈电结构和辅助结构；所述辐射结构包括位于介质基板②之上的n个相同的旋臂，所述n个旋臂以360°/n的相同的角度沿介质基板的中心线(z轴)呈旋转对称分布，n为大于1的正整数；所述馈电结构包括一个n路等分功分器③、n个移相器④、n根同轴馈线⑤和地板；所述辅助结构位于辐射结构的正下方，用于支撑辐射结构；

输入激励信号经过n路等分功分器③等分为n路等幅同相的信号后，分别进入n个移相器移相后，通过同轴馈线分别馈入辐射结构中的n个旋臂，通过调节n个移相器的相移量，使得辐射结构中相邻旋臂的馈电相位差满足并同时使n个旋臂的馈电相位沿顺时针(或逆时针)方向依次增大，从而实现等幅等相位差馈电，其中，l为预期产生的轨道角动量阶数。

本发明提供的一种基于多臂螺旋结构的电磁涡旋发生器中，通过调节n个移相器的相移量，使得辐射结构中相邻旋臂的馈电相位差满足并同时使n个旋臂的馈电相位沿顺时针(或逆时针)方向依次增大，从而实现等幅等相位差馈电，其中，l为预期产生的轨道角动量阶数；在此馈电条件下，多臂螺旋结构各旋臂上的行波电流的相位满足l阶涡旋电磁场的相位分布特性，因而可在空间中激励起的辐射场同样满足l阶涡旋的相位分布特性，进而产生携带l阶轨道角动量的电磁波，所述携带l阶轨道角动量的电磁波位于多臂螺旋结构的正上方。因此，本申请提供的一种基于多臂螺旋结构的电磁涡旋发生器，根据l的取值不同，在空间中能相应的产生绝对值为1到n阶的轨道角动量电磁波，即通过改变馈电相位差用同一副天线就能实现多个轨道角动量模态的生成。

进一步地，所述辐射结构中n个相同的旋臂为阿基米德螺旋、等角螺旋、直角螺旋等平面螺旋结构，或者为圆锥螺旋等空间螺旋结构。当辐射结构为阿基米德螺旋等平面螺旋结构时，所述辅助结构包括用于承载辐射结构的介质基板②、用于支撑介质基板的介质柱⑦、位于辐射结构正下方的金属腔⑧以及填充于金属腔内的吸波材料⑨(用于吸收后向辐射)；所述介质基板和介质柱在有效支撑辐射结构的同时不影响所辐射涡旋电磁波的模态，所述金属腔的口面大小应满足截获天线后向辐射功率的90％以上，所述吸波材料的材质以及厚度应保证天线后向辐射功率的90％以上被吸波材料所吸收。当辐射结构为圆锥螺旋等空间螺旋结构时，所述辅助结构包括用于支撑辐射结构的介质体。所述辅助结构一方面用于支撑辐射结构，另一方面，在天线后向辐射较大时，吸收天线的后向辐射，以保证天线的单向辐射。

进一步地，所述辐射结构中n个相同的旋臂可采用金属贴片或金属导线等方式实现，并通过辅助结构支撑。

进一步地，所述辐射结构的馈电点可位于n个旋臂的起点位置或终点位置。当馈电点位于旋臂起点位置时，n个旋臂馈电相位增大的方向应与每个旋臂的旋向相反，即当旋臂的旋向为顺时针(逆时针)方向时，n个旋臂的馈电相位应沿逆时针(顺时针)方向增大；当馈电点位于旋臂终点位置时，n个旋臂馈电相位增大的方向应与每个旋臂的旋向相同。按照此种方式，当旋臂单元为左手螺旋形式且馈电点位于n个旋臂的终点位置时，辐射结构所产生的涡旋电磁波阶数为负，即能产生-1到-n阶；当旋臂单元为左手螺旋形式且馈电点位于n个旋臂的起点位置时，辐射结构所产生的涡旋电磁波阶数为正，即1到n阶；当旋臂单元为右手螺旋形式且馈电点位于n个旋臂的终点位置时，辐射结构所产生的涡旋电磁波阶数为正，即1到n阶；当旋臂单元为右手螺旋形式且馈电点位于n个旋臂的起点位置时，辐射结构所产生的涡旋电磁波阶数为负，即能产生-1到-n阶。

进一步地，所述多臂螺旋辐射结构中旋臂的个数n由预期产生的轨道角动量最高阶数lmax所决定，即n＝lmax。当辐射结构的馈电点位于n个旋臂的起点位置时，所述多臂螺旋辐射结构中旋臂单元的外半径r需满足2πr≥(lmax+1)λ，以保证行波电流可以在各旋臂上充分传播从而使辐射波携带轨道角动量；当辐射结构的馈电点位于n个旋臂的终点位置时，所述多臂螺旋辐射结构中旋臂单元的外半径r需满足lmaxλ≤2πr≤(lmax+1)λ，以保证低阶和高阶的涡旋模态对应的行波电流均能有效在旋臂上传播，其中，lmax为预期产生的轨道角动量最高阶数，λ为工作波长。

进一步地，所述馈电结构包括一个n路等分功分器③、n个相同的移相器④、n根相同的同轴馈线⑤和地板⑥；所述移相器的相移范围应满足0～(n-1)/n·360°之间可调；所述同轴馈线的外导体与地板相连，内导体分别在n个旋臂的起点或终点进行馈电；所述地板位于介质基板下方(辐射结构为阿基米德螺旋等平面螺旋结构时)或者固定于介质体(辐射结构为圆锥螺旋等空间螺旋结构时)上，其大小和形状应在满足馈电需求的同时不影响所辐射涡旋电磁波的模态。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的一种基于多臂螺旋结构的电磁涡旋发生器中，可以通过控制多臂螺旋天线各旋臂之间的馈电相位差，用同一副天线产生携带不同模式轨道角动量的电磁波，用于无线通信；且产生的轨道角动量电磁波的辐射性能好，后向辐射弱；结构简单紧凑，易加工且便于调试。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚地了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于多臂螺旋结构的电磁涡旋发生器的结构示意图；

图2为实施例1中基于平面阿基米德螺旋结构、旋臂数n＝3的电磁涡旋发生器的结构示意图；

图3为实施例1电磁涡旋发生器中馈电相位差为120°时，平行于多臂螺旋结构的平面上辐射电场的相位分布图；

图4为实施例1电磁涡旋发生器中馈电相位差为240°时，平行于多臂螺旋结构的平面上辐射电场的相位分布图；

图5为实施例1电磁涡旋发生器中馈电相位差为360°即同相馈电时，平行于多臂螺旋结构的平面上辐射电场的相位分布图；

图6为实施例1电磁涡旋发生器中等幅同相馈电时的辐射方向图；

图7为实施例2中基于圆锥螺旋结构、旋臂数n＝3的电磁涡旋发生器的结构示意图；

图8为实施例2电磁涡旋发生器中馈电相位差为120°时，平行于多臂螺旋结构的平面上辐射电场的相位分布图；

图9为实施例2电磁涡旋发生器中馈电相位差为240°时，平行于多臂螺旋结构的平面上辐射电场的相位分布图；

图10为实施例2电磁涡旋发生器中馈电相位差为360°即同相馈电时，平行于多臂螺旋结构的平面上辐射电场的相位分布图；

图11为实施例2电磁涡旋发生器中等幅同相馈电时的辐射方向图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，为本发明提供的一种基于多臂螺旋结构的电磁涡旋发生器的结构示意图；所述发生器包括多臂螺旋辐射结构、馈电结构和辅助结构。所述辐射结构包括n个相同的右手螺旋旋臂，所述n个右手螺旋旋臂以相等的角度间隔(360°/n)沿z轴呈旋转对称分布，n为大于1的正整数；所述辐射结构形成于介质基板②之上，右手螺旋旋臂的外半径r＝(n+1)λ/2π，形状为阿基米德螺旋线并采用铜丝实现，单个旋臂可用阿基米德螺线极坐标方程描述：其中r0为螺旋起始矢径也即同轴线内导体馈电的位置，为平面极坐标系下的以弧度记的坐标值，a为螺旋增长率，应满足a＜r/2πn。所述馈电结构包括一个n路等分功分器③、n个移相器④、n根同轴馈线⑤和地板；其中，移相器的相移范围应满足0～(n-1)/n·360°之间可调；所述同轴馈线的外导体与地板相连，内导体分别在n个旋臂的起点或终点进行馈电；所述地板位于介质基板下方(辐射结构为阿基米德螺旋等平面螺旋结构时)或者固定于介质体(辐射结构为圆锥螺旋等空间螺旋结构时)上，其大小和形状应在满足馈电需求的同时不影响所辐射涡旋电磁波的模态。所述辅助结构位于辐射结构的正下方，用于支撑辐射结构；当辐射结构为阿基米德螺旋等平面螺旋结构时，所述辅助结构包括用于承载辐射结构的介质基板②、用于支撑介质基板的介质柱⑦、位于辐射结构正下方的金属腔⑧以及填充于金属腔内的吸波材料⑨(用于吸收后向辐射)，所述介质基板和介质柱在有效支撑辐射结构的同时不影响所辐射涡旋电磁波的模态，所述金属腔的口面大小应满足截获天线后向辐射功率的90％以上，所述吸波材料的材质以及厚度应保证天线后向辐射功率的90％以上被吸波材料所吸收；当辐射结构为圆锥螺旋等空间螺旋结构时，所述辅助结构包括用于支撑辐射结构的介质体。所述辅助结构一方面用于支撑辐射结构，另一方面，在天线后向辐射较大时，吸收天线的后向辐射，以保证天线的单向辐射。

当输入激励信号经过n路等分功分器③后，等分为n路等幅同相的信号，然后分别进入n个移相器移相后，通过同轴馈线分别馈入辐射结构中的n个旋臂，通过调节n个移相器的相移量，使得辐射结构中相邻旋臂的馈电相位差满足并同时使n个旋臂的馈电相位沿顺时针(或逆时针)方向依次增大，从而实现等幅等相位差馈电，其中，l为预期产生的轨道角动量阶数。在此馈电条件下，多臂螺旋结构各旋臂上的行波电流的相位满足l阶涡旋电磁场的相位分布特性，因而可在空间中激励起的辐射场同样满足l阶涡旋的相位分布特性，进而产生携带l阶轨道角动量的电磁波，所述携带l阶轨道角动量的电磁波位于多臂螺旋结构的正上方。因此，本申请提供的一种基于多臂螺旋结构的电磁涡旋发生器，根据l的取值不同，在空间中能相应的产生绝对值为1到n阶的轨道角动量电磁波，即通过改变馈电相位差用同一副天线就能实现多个轨道角动量模态的生成。表1为l取值、馈电相位差以及轨道角动量电磁波阶数的绝对值之间的关系。

表1

实施例1

本实施例中，基于多臂螺旋结构的电磁涡旋发生器的工作频段为s波段，旋臂个数n＝3，但本发明不限于此波段和旋臂个数。图2为实施例1所述发生器的结构示意图，图中各模型的参数如下：①旋臂单元采用右手阿基米德螺线的形式，螺旋内径为10mm，外径79mm，螺旋增长率3.14mm/rad，旋臂宽度1.5mm，材质为铜，三个旋臂在平面内以120°的角度间隔沿z轴呈旋转对称分布；②介质基板厚度2mm，介电常数4.4，损耗角正切0.002，半径与螺旋外径相同均为79mm；地板⑥为附着在介质基板背面且与介质基板同心的圆形铜片，半径为12mm；激励信号通过3路等分功分器③和移相器④后，通过同轴线⑤分别对三个旋臂进行馈电，同轴线外导体均与地板⑥相连，内导体穿过介质基板对三个旋臂的起点进行馈电；填充吸波材料的圆柱形铜质腔体(金属腔)⑧(去除顶面)位于螺旋天线正下方35mm处，底面半径为100mm，高30mm，内铺满底面半径为100mm、高25mm的圆柱形吸波材料⑨；此外用三个泡沫柱⑦将附着辐射结构和地板的介质基板支撑固定在金属腔体的正上方。

图3为实施例1电磁涡旋发生器中馈电相位差时即三个旋臂馈电相位差沿顺时针方向依次递增120°时，平行于多臂螺旋结构的平面上辐射电场的相位分布图；由图3可知，电场相位沿轴线方位角呈顺时针涡旋状，沿圆周一圈相位改变2π，此时辐射波携带l＝-1的1阶轨道角动量。

图4为实施例1电磁涡旋发生器中馈电相位差即三个旋臂馈电相位差沿顺时针依次递增240°时，平行于多臂螺旋结构的平面上辐射电场的相位分布图；由图4可知，电场相位沿轴线方位角呈顺时针涡旋状，沿圆周一圈相位改变4π，此时辐射波携带l＝-2的2阶轨道角动量。

图5为实施例1电磁涡旋发生器中馈电相位差即三个旋臂同相馈电时，平行于多臂螺旋结构的平面上辐射电场的相位分布图；由图5可知，电场相位沿轴线方位角呈顺时针涡旋状，沿圆周一圈相位改变6π，此时辐射波携带l＝-3的3阶轨道角动量。

图6为实施例1电磁涡旋发生器中等幅同相馈电时的辐射方向图；由图6可知，实施例1电磁涡旋发生器的绝大部分后向辐射被吸波材料所吸收，后向辐射极弱，单向辐射性能好。

实施例2

本实施例中，基于多臂螺旋结构的电磁涡旋发生器的工作频段为s波段，旋臂个数n＝3，但本发明不限于此波段和旋臂个数。

如图7所示，为实施例2电磁涡旋发生器的结构示意图，图中各模型的参数如下：①旋臂单元采用左手圆锥螺旋的形式，旋臂单元内径为12mm，外径63.6mm，高度100mm，匝数为4圈，旋臂宽度1.5mm，材质为铜，三个旋臂在平面内以120°的角度间隔沿z轴呈旋转对称分布；②泡沫圆台，用于支撑旋臂的介质体，其下底面半径为63.6mm，上底面半径15mm，高度92mm，从中挖去下底面半径43mm，上底面半径15，高度90mm的圆台便于进行馈电，泡沫圆台的相对介电常数1.1，损耗角正切0.002；地板⑥为附着在泡沫圆台上表面的圆形铜片，半径为13.5mm；激励信号通过3路等分功分器③和移相器④后，通过同轴线⑤分别对三个旋臂进行馈电，同轴线外导体均与地板⑥相连，内导体对三个旋臂的起点进行馈电；由于圆锥螺旋本身单向辐射性能较好，故不需要其他辅助结构。

图8为实施例2电磁涡旋发生器中馈电相位差时即三个旋臂馈电相位差沿逆时针方向依次递增120°时，平行于多臂螺旋结构的平面上辐射电场的相位分布图；由图8可知，电场相位沿轴线方位角呈逆时针涡旋状，沿圆周一圈相位改变2π，此时辐射波携带l＝1的1阶轨道角动量。

图9为实施例2电磁涡旋发生器中馈电相位差即三个旋臂馈电相位差沿逆时针依次递增240°时，平行于多臂螺旋结构的平面上辐射电场的相位分布图；由图9可知，电场相位沿轴线方位角呈逆时针涡旋状，沿圆周一圈相位改变4π，此时辐射波携带l＝2的2阶轨道角动量。

图10为实施例2电磁涡旋发生器中馈电相位差即三个旋臂同相馈电时，平行于多臂螺旋结构的平面上辐射电场的相位分布图；由图10可知，电场相位沿轴线方位角呈逆时针涡旋状，沿圆周一圈相位改变6π，此时辐射波携带l＝3的3阶轨道角动量。

图11为实施例2电磁涡旋发生器中等幅同相馈电时的辐射方向图；由图11可知，实施例2电磁涡旋发生器的后向辐射弱，单向辐射性能好。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。