一種多模態oam渦旋電磁波微帶陣列天線的制作方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及天線技術領域，尤其涉及一種多模態0ΑΜ渦旋電磁波微帶陣列天 線。
【背景技術】
[0002] 根據經典電動力學理論，電磁福射可以同時攜帶能量以及角動量，角動量是由描 述極化狀態的自旋角動量（Spinangularmomentum，SAM)和描述螺旋相位結構的軌道角動 量（Orbitalangularmomentum，0ΑΜ)組成。自旋角動量與光子的自旋相關，呈現出一種圓 偏振的表現形式，20世紀初Poynting就預測了SAM的存在，但是直到1936年Beth通過實驗 驗證之后SAM才被廣泛應用，而0ΑΜ是與光子的空間分布相關。1838年，Airy發現了在透鏡 的焦平面上有異常光環形成；1967年，Boivin等人分析發現該光環的能流中存在著繞焦平 面軸線旋轉的渦旋，表明光場中存在軌道角動量；1974年，Nye等人將晶體中的缺陷概念引 入波動問題，證明了波前中的相位缺陷是導致光學渦旋產生的原因；1979年，Vaughan等人 分析了具有螺旋波前光束的干涉特性；1981年，Baranova等人分析了散斑光場中的光渦， 發現光渦產生概率是一定的，并且在散斑場中不能形成高拓撲荷的光渦；1989年，Coullet 等人分析了具有高菲涅耳數的激光腔，發現腔內光場具有類似于超流體渦旋的特點，他們 采用Maxwell-Bloch模型從理論角度闡釋了渦旋解的存在，促進了關于光束軌道角動量的 研究。直到1992年，關于0ΑΜ光束的研究取得了重要進展：Allen等人證明了在近軸近似 條件下，具有相位因子的LG螺旋激光束每光子具有軌道角動量，這一結論隨后被推廣到非 近軸近似的情況。自此之后，關于0ΑΜ應用的研究引起了人們的巨大興趣。0ΑΜ的應用之一 是實現對原子與分子的操縱，這主要利用了其動力學性質。1995年，He等人在實驗中發現 0ΑΜ光束的軌道角動量可以傳遞給物質粒子；1997年，Simpson等人進一步提出光束的軌道 角動量和自旋角動量一樣，可以對粒子施加力矩使之轉動，并提出了"光學扳手"的概念，他 們發現使用0ΑΜ光束的光鑷系統對粒子的束縛能力遠高于使用傳統高斯光束的光鑷，能以 更高的效率實現對微現粒子的分餾和自組織、氣捕獲和移動等微操作，同時減輕對微粒的 損傷，這對生物分子、細胞、細菌、病毒等研究有著重要意義。無論在光學領域中還是在無線 電領域，0ΑΜ都是表征具有螺旋相位結構波形的自然屬性。0ΑΜ在光學中已經被廣泛應用， 通過引入0ΑΜ，光通信系統的傳輸能力得到很大程度的擴展。2007年，Thide等人首次提出 將光子軌道角動量應用于低頻，通過仿真驗證了可以使用相控陣列天線產生類似拉蓋爾高 斯光束的渦旋電磁波，開創了將軌道角動量應用在無線通信中的先河，提出了利用渦旋電 磁波用于擴大無線通信容量的設想，啟發了在無線通信中使用0ΑΜ載波的思想。2008年， Garcia-Escartin等人研究了基于光子0ΑΜ的量子復用問題，分析了使用合路器和多路器 來綜合量子信道的方案。2010年，Mohammadi等人系統地研究了基于天線陣列的0ΑΜ波束 生成方法。2012年，Edfors等人建議在無線通信系統中使用0ΑΜ技術。同年，Tamburini 等人利用螺旋拋物面天線和八木天線在2. 414GHz的頻帶上首次驗證了攜帶軌道角動量的 電磁波在無線通信中進行信息傳輸的可行性。實驗采用螺旋拋物面天線和八木天線分別產 生OAM模態的渦旋電磁波和正常電磁波，并在同一頻點上，以不同的OAM模態值對不同的波 束進行編碼傳輸。并在上述裝置的基礎上，在接收端利用相位干涉儀測量波束中電場的相 位差，驗證了渦旋電磁波的抗干擾能力。Abhay等人通過仿真分析了螺旋拋物面天線的設計 方法；Wang等人則通過使用0ΑΜ復用技術在自由空間中實現了 2. 56Tbits/s的數據傳輸， 系統的頻譜利用率達到了 95. 7bits/s。2013年，Bozinovic等人利用0ΑΜ復用技術，在光 纖中也實現T比特量級的數據傳送。此后，一系列關于0ΑΜ波束生成的方法被報道出來，例 如，Deng等人提出利用Vivaldi天線陣產生0ΑΜ波，Bai等人在圓環形天線陣中使用的矩 形貼片陣元，也成功產生了 0ΑΜ波；Tennant等人提出了時變陣列（Time-switchedarray， TSA)，可使陣列的多個諧波產生OAM特性，可以同時產生多個模態的OAM值。綜上，要發展 0ΑΜ復用的理論與技術，需系統研究0ΑΜ載波的產生、傳輸和檢測等問題，因此關于0ΑΜ無線 電波束的生成方法是目前研究的熱點。
[0003]目前，結合軌道角動量在相關領域中的研究進展，在無線電頻段生成0ΑΜ無線電 波的方法主要有兩種手段，分別是螺旋拋物面天線和陣列天線，前者則通過調整拋物面開 口兩端的間距產生任意模式的0ΑΜ無線電波束；后者通過控制陣元輻射場的相位差產生想 要的0ΑΜ模式波。2011年，B.Thide等人利用螺旋拋物面天線產生模態值1 = 1的渦旋電 磁波，這種天線是將拋物面天線扭曲成螺旋拋物面結構，形成連續的相位梯度，在物理上模 擬了空間方位角的相位旋轉#~接收端則利用兩個天線構成一個相位干涉儀，利用相位干 涉法來識別0ΑΜ的模態值。然而，這種0ΑΜ螺旋拋物面天線也有明顯的缺陷，其造價高，制作 困難，并且實驗中所采用的螺旋拋物面天線結構是一種單一固定結構，不適用于連續相位 控制，即一個確定的幾何結構只能產生一種模式的0ΑΜ波，這種單一結構不能同時產生多 種0ΑΜ模態，若需生成不同的0ΑΜ波束，則必須調整開口的大小，在實際無線通信系統中，這 種方法顯然是行不通的。除了通過上述天線賦型形式產生攜帶0ΑΜ的電磁波，還可以通過 改變陣元激勵的相位關系來改變發生器所工作的0ΑΜ狀態，即構成偶極子天線陣列結構， 這種結構相對容易實現，同時也可以較好的實現產生多模態0ΑΜ的要求。偶極子天線陣列 是產生攜帶0ΑΜ波束的一種方法，利用電磁波的干涉和疊加原理，將若干輻射單元排列成 陣列，通過調整各陣元輻射場之間的相位差，使輻射能量在空間中重新分配，令某些區域的 場增強而其它區域的場減弱，從而獲得單個天線所不能達到的方向性。利用這種原理通過 改變陣元之間饋電相位差的方式就可以產生不同的0ΑΜ模態。但是，這種偶極子陣列天線 半徑高達幾米到幾十米，在進行陣列布置時需要極小的誤差才能產生預期的模態值，同時 如此大的尺寸在進行陣列天線調整時也極其復雜，對適用場所條件要求較為苛刻，在實際 通信系統中應用價值并不高。
[0004] 隨著無線通信爆炸性的發展，對無線頻譜資源的需求正在急速上升。但是，傳統的 命令和控制頻譜策略導致顯著的頻譜利用不足，因而目前授權頻譜的使用率不高。利用率 和能源效率低下的頻譜成為實現無線電技術可持續發展需要迫切解決的瓶頸問題。作為一 個有發展前景的方法以解決頻譜效率低下、打破目前頻譜利用率不足的僵局，軌道角動量 在最近引起了廣泛研究。 【實用新型內容】
[0005] 本實用新型的目的在于通過一種多模態0ΑΜ渦旋電磁波微帶陣列天線，來解決以 上【背景技術】部分提到的問題。
[0006] 為達此目的，本實用新型采用以下技術方案：
[0007] -種多模態0ΑΜ渦旋電磁波微帶陣列天線，其包括介質基板、若干陣元以及與各 陣元對應的同軸饋線和輸入端口，所述陣元采用圓極化方形切角貼片天線；所述陣元沿圓 周等距排列在所述介質基板的一面，所述介質基板的另一面附上金屬薄層作為接地面，所 述輸入端口通過同軸饋線連接對應陣元。
[0008] 特別地，所述多模態0ΑΜ渦旋電磁波微帶陣列天線包括八個陣元；所述陣元被饋 送相同的信號，相鄰兩個陣元間有固定的相位差；所述介質基板半徑與微帶陣列天線輻射 波長相同。
[0009] 特別地，所述八個陣元采用圓極化方形切角貼片天線，所述圓極化方形切角貼片 天線中兩個簡并模的長和寬分別為5mm，兩個簡并模輻射出正交極化、幅度相等、相位相差 π/2的電磁波。
[0010] 特別地，所述多模態0ΑΜ渦旋電磁波微帶陣列天線產生的0ΑΜ模態數1為：-Ν/2 < 1 <Ν/2,陣元到陣元間具有連續的相位延遲2π1/Ν，其中Ν為陣列天線的陣元個數。
[0011] 特別地，所述多模態0ΑΜ渦旋電磁波微帶陣列天線工作在2. 45GHz頻段。
[0012] 本實用新型提出的多模態0ΑΜ渦旋電磁波微帶陣列天線采用易于賦型的貼片陣 列天線結構代替偶極子陣列天線，同時也彌補了螺旋拋物面