基于介質諧振器產生射頻軌道角動量波束的天線的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于射頻軌道角動量無線通信技術領域，涉及一種基于介質諧振器產生射頻軌道角動量波束的天線。
【背景技術】
[0002]隨著智能手機等移動通信技術的發展，人們對于無線通信速率的要求也越來越高。但是，頻譜資源緊缺，可供利用的頻譜已經越來越少，傳統的依靠劃分新的通信頻段來提高通信速率的方法已經難以為繼，如何在有限的通信資源下提高無線通信速率是通信行業面臨的一個巨大挑戰。目前，時分復用，頻分復用，碼分復用等復用技術已經成熟地應用在無線通信系統中。電磁波的幅度，相位，頻率，極化等維度也已經得到了很大程度的利用。在傳統通信理論和系統的基礎上提高信息傳輸速率已經越來越困難，且成本也會越來越高。電磁波的軌道角動量，與電磁波的幅度，相位，頻率，極化類似，是電磁波的另外一個物理維度。研宄表明，這一維度同樣能夠被用來傳輸信息，利用其來提高無線通信系統的傳輸速率，具有很大的潛力和優勢。
[0003]無數不同階數(用I表示)的軌道角動量構成一完備正交集，理論上，任一頻率的電磁波可以分解為具有無數不同階數的同頻率軌道角動量電磁波的疊加。軌道角動量通信就是利用電磁波的軌道角動量這一物理維度來通信。通過攜帶不同階數的軌道角動量的電磁波，來建立新的傳輸信道，進行信息的傳輸和復用。或者是利用軌道角動量階數的差異，用不同的階數來進行不同的編碼。由于I可以取無數個整數值，因此利用軌道角動量通信可以大幅提尚系統的傳輸速率。
[0004]目前，由于射頻軌道角動量通信的研宄處于初步發展階段，射頻軌道角動量波束的產生和發射裝置大多以環形陣列天線或者螺旋相位板作為模型。但是，現有的產生和發射裝置大都存在尺寸偏大、不易與現有系統集成等缺點。大的尺寸會提高成本和功耗，也不宜與現有系統集成，從而限制了軌道角動量通信這一新興技術的推廣和應用。因此，一種結構簡單，易與現有通信系統兼容和集成的軌道角動量發射裝置，對于提高無線通信系統的傳輸速率，加快射頻軌道角動量在無線通信等領域的應用，具有十分重要的意義。

【發明內容】

[0005]本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種基于介質諧振器產生射頻軌道角動量波束的天線，以及基于此天線的射頻軌道角動量(OAM)波束復用裝置。
[0006]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:
[0007]基于介質諧振器產生射頻軌道角動量波束的天線，包括微波介質諧振器、微帶線、微波基板和金屬接地面；微波介質諧振器結構為圓柱形，其截面為環形，外直徑為D，內直徑為d，高為h，且0<d〈D;微波介質諧振器的相對介電常數為置于相對介電常數為es的微波基板上，微波基板下方是金屬接地面，微波介質諧振器通過微帶線進行饋電，激勵起介質諧振器中的回音壁模式；
[0008]所述的微帶線的輸出端與微波介質諧振器的外圓相切，或者在相切位置的前后左右一定距離內平移；所述的相切位置的前后左右方向為I軸和X軸方向；
[0009]所述的一定距離的范圍為正負Imm ;
[0010]所述的微波介質諧振器、微帶線、微波基板和金屬接地面具體參數為lmm<D<50mm, Omm < cK 30mm, 2mm < h < 25mm, 4 < ε 60, 2 ε 8, ε s〈 ε r,微帶線為 50 歐姆微帶線，輻射頻率為IGHz彡f彡10GHz ο
[0011]在同一塊微波基板上不同位置放置多個不同尺寸不同電磁參數的介質諧振器天線，多個介質諧振器能夠同時發射多種階數不同的射頻軌道角動量波束，形成一種射頻軌道角動量波束復用裝置。
[0012]通過多個微波基板將多個不同尺寸不同電磁參數的介質諧振器組成的天線垂直放置，即z軸方向放置，形成一種射頻軌道角動量波束復用裝置。
[0013]合理設計微帶線饋電結構的尺寸以及其與諧振器的相對位置，能夠激勵起介質諧振器中的回音壁模式。這種電磁波模式的一個共同特點是沿著圓柱形介質諧振器的邊緣以行波的方式繞圓柱形諧振器軸向按順時針或者逆時針的方向旋轉，同時電磁波旋轉一周其相位變化21 Ji。它們與自由空間中的I階軌道角動量射頻波束具有很多共同的電磁波特征，因此能夠很容易地與這些自由空間中的射頻軌道角動量波束相互耦合，從而實現基于圓柱形介質諧振器的射頻軌道角動量波束的產生和發射。微帶線饋電方向的不同可以實現±I階的射頻軌道角動量波束的產生和發射，饋電頻率的不同或者介質諧振器天線的尺寸、電磁參數的不同則可以實現不同I階的射頻軌道角動量波束的產生和發射。此外，通過調節發射頻率和射頻軌道角動量的階數，該介質諧振器天線既能發射沿諧振器縱向(z向)傳播的射頻軌道角動量波束，也能發射沿橫向(垂直于z向)傳播的射頻軌道角動量波束。
[0014]在本發明提供的基于介質諧振器產生射頻軌道角動量波束的天線的基礎上，進一步設計了基于介質諧振器的射頻軌道角動量波束復用裝置。將發明中提出的介質諧振器天線同時放置于同一介質基板上，通過不同的微帶線饋電設計以及不同的諧振器尺寸和電磁參數，可以實現不同階數的射頻軌道角動量波束的復用。也可以將發明中提出的介質諧振器天線層疊同軸放置于不同平面的介質基板上，實現不同階數的射頻軌道角動量波束的另一種復用裝置。
[0015]本發明的有益效果是:
[0016]利用電磁波的軌道角動量這一物理維度進行無線通信，能夠在不占用額外頻譜資源的前提下大幅提高無線通信系統的傳輸速率。本發明基于圓柱形介質諧振器產生和發射射頻軌道角動量，為利用軌道角動量的無線通信以及探測系統提供了很好的發射和接收裝置。與【背景技術】中提到的發射裝置相比，本發明的顯著優點是大大縮小了發射天線的尺寸，降低了發射系統的功耗和成本，也能夠實現不同階數射頻軌道角動量波束的發射。既能發射縱向(z向)傳播的射頻軌道角動量波束，也能發射橫向(垂直于z向)傳播的射頻軌道角動量波束。同時，本發明基于成熟的微波設計理論和結構，能夠很好地與現有微波商用系統兼容和集成，促進軌道角動量通信的研宄與應用。
【附圖說明】
[0017]圖1是圓柱形介質諧振器結構圖，內直徑為D，外直徑為d(0 ( d〈D)，相對介電常數為ε r?
[0018]圖2是基于介質諧振器產生射頻軌道角動量(OAM)波束的天線結構圖，圖中只示出了 d = O的圓柱形介質諧振器的天線結構，對于d>0的形式，除諧振器內直徑d不一樣夕卜，其它結構均與圖2結構保持一致。本發明采用的具體參數為Imm < D < 50mm, 0mm^d^30mm，2mm彡h彡25mm，4彡ε 60, 2 ^ ε s^8, ε s〈 ε r，微帶線為50歐姆微帶線，輻射頻率為IGHz ^ f ^ 10GHz ；
[0019]圖3是本發明產生射頻軌道角動量波束時圓柱形介質諧振器內部及其周圍的電場強度分布圖；
[0020]圖4是本發明產生射頻軌道角動量波束時圓柱形介質諧振器內部及其周圍的z向電場相位分布圖；
[0021]圖5是本發明產生射頻軌道角動量波束時的遠場方向圖；
[0022]圖6是本發明產生射頻軌道角動量時遠場相位圖；
[0023]圖7是基于圓柱形介質