机械可重构阵列天线产生多模态轨道角动量的装置及方法与流程

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种机械可重构阵列天线产生多模态轨道角动量电磁涡旋波的装置及方法，可用于射频和微波波段。

背景技术：

由于移动智能终端的普及和相关数据服务技术的飞速发展,促使无线业务需求呈现爆炸式增长。但是,无线频谱资源的有限性、独占性和稀缺性极大地限制了无线通信技术的发展,为此人们先后提出了时分多址(tdma)、码分多址(cdma)、正交频分复用(ofdm)等多种复用技术来提高无线频谱的利用率。然而,从马可尼时代开始的无线通信技术一直主要是以信号的幅度、相位、频率等形式利用电磁波辐射的线性动量进行信息传输,并且在同一时间、同一码域里一个频带只能传输一路信息,其容量已经接近香农极限，故提出轨道角动量这一新的技术来满足未来移动数据的需求。

轨道角动量涡旋波近些年得到了广泛的研究与应用，然而射频和无线通信领域的研究与应用相对滞后。直到2007年，瑞典的b.thide等通过运用阵列天线产生轨道角动量的方法成功将其应用于射频无线通信领域，由此oam电磁涡旋场在无线通信中的应用逐步成为当今的研究热点。到目前为止，用于产生轨道角动量波束的主要方法为旋转相位板、螺旋抛物面和阵列天线。

这几种方案中，旋转相位板在光波段的使用最为广泛，其特点在于理论与结构简单，可以双极化激励，转换效率较高；但是在射频微波波段，其产生的波束发散角较大不利于远距离传输，介质板对波束的反射会降低发射效率，复用方案复杂等问题限制了这一在光频段应用广泛的方案。而螺旋抛物面则是将已有的抛物面天线弯曲螺旋成螺旋曲面，由于抛物面的汇聚作用，可以将发散的微波轨道角动量波束汇聚，但是，这种结构很难产生多个模态的轨道角动量涡旋波束，且不稳定性强、不易于制作。

阵列天线技术近些年得到了广泛研究，并且应用于很多领域，如通信、传感、能量收集、雷达等，这也为使用阵列天线产生携带有轨道角动量的涡旋波束提供了较好的理论和技术基础。阵列天线产生轨道角动量的思想基于相控阵理论，即控制阵列天线各单元的幅度与相位，使得阵列整体产生轨道角动量涡旋波。阵列天线产生轨道角动量的装置一般包括功分移向馈电网络和平面阵列天线，利用功分移向馈电网络来保证n个阵列天线单元的激励幅度相等，激励相位差δφl为2πl/n，从而产生相应模态l的轨道角动量。

例如，申请公开号cn106887718a，名称为“一种基于超表面阵列天线产生轨道角动量波束的装置”的专利申请，公开了一种基于超表面相控阵列天线产生轨道角动量波束的装置。该装置包括相控阵列贴片天线，带金属管和馈线的移相功分馈电网络。虽然该装置创造性地提出了一种简单的相控阵天线结构，但功分网络一确定，该装置就只能产生一种模态的轨道角动量，导致该装置功能单一，该装置为了确保不同阵列单元之间的相位关系，馈电网络中的移向器必不可少，导致该装置馈电网络复杂；又如申请公开号cn106058490a，名称为“一种产生涡旋电磁波的方法”的专利申请，公开了一种利用阵元总数为n的阵列天线产生涡旋电磁波的方法。该方法通过调节阵元数目和阵元排布方式来产生不同模态l的轨道角动量。虽然该方法阵列单元形式不限，阵列排布方式灵活，但该方法在产生不同模态的轨道角动量时，需要重新设计阵元结构及排布方式，导致设计过程复杂。

综上所述，现有阵列天线产生轨道角动量的技术，一个装置只能产生一个模态的轨道角动量，且馈电网络复杂，要产生不同模态的轨道角动量时，需要重新设计阵元结构及排布方式，存在设计过程复杂的问题，从而限制了该技术在微波频段的广泛应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种机械可重构阵列天线产生多模态轨道角动量的装置及方法，旨在实现产生装置的机械可重构特性，产生多模态轨道角动量。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种机械可重构阵列天线产生多模态轨道角动量的装置，包括馈电网络和位于其上方的阵列天线，所述馈电网络，包括第一介质基板1和印制在其上表面的第一金属地板2，所述阵列天线，包括n个固定在馈电网络上方的单臂螺旋天线单元3，形成环状结构，用于辐射轨道角动量涡旋波，其中，4≤n≤14，且为整数；所述单臂螺旋天线单元3包括单臂螺旋辐射体31和同轴线32，所述单臂螺旋辐射体31可绕同轴线32旋转，用于实现多模态轨道角动量的相位补偿特性；所述第一介质基板1的下表面印制有微带功分器4，其各输出端口通过同轴线32，为n个单臂螺旋辐射体31提供等幅同相的激励。

上述机械可重构阵列天线产生多模态轨道角动量的装置，所述环状结构，其半径为r1，0.8λ≤r1≤1.4λ，其中，λ为中心频率的波长，且环状结构的轴线与馈电网络的轴线重合。

上述的机械可重构阵列天线产生多模态轨道角动量的装置，其特征在于，所述n个单臂螺旋辐射体31，位于同一水平面上。

上述的机械可重构阵列天线产生多模态轨道角动量的装置，其特征在于，所述单臂螺旋辐射体31包括微带螺旋臂311、电阻312、第二介质基板313和匹配圆盘314，所述微带螺旋臂311采用左旋或右旋结构，印制在第二介质基板313的上表面，所述电阻312焊接在微带螺旋臂311的尾端，匹配圆盘314固定在第二介质基板313下表面的中心位置；其中微带螺旋臂311的圈数为t，3≤t≤4，电阻312的阻值为z，140ω≤z≤180ω，第二介质基板313的半径为r2，0.3λ≤r2≤0.6λ，其中，λ为中心频率的波长。

上述的机械可重构阵列天线产生多模态轨道角动量的装置，其特征在于，所述匹配圆盘314，包括第三介质基板和印制在第三介质基板下表面的第二金属地板。

一种机械可重构阵列天线产生多模态轨道角动量的方法，包括以下步骤：

(1)给定轨道角动量的模态l，单臂螺旋天线单元的个数n，并计算相邻单臂螺旋天线单元之间的相位差δφl；

(2)确定单臂螺旋辐射体绕同轴线的旋转方向：

当微带螺旋臂采用右旋结构，根据轨道角动量的模态l，确定单壁螺旋辐射体绕同轴线的旋转方向，l＞0时，逆时针旋转，l＜0时，顺时针旋转；

当微带螺旋臂采用左旋结构，根据轨道角动量的模态l，确定单壁螺旋辐射体绕同轴线的旋转方向，l＞0时，顺时针旋转，l＜0时，逆时针旋转；

(3)确定单臂螺旋辐射体绕同轴线的旋转角度n·δφl：

选取n个单臂螺旋辐射体中的任意一个为基准，确定各单臂螺旋辐射体绕同轴线的旋转角度n·δφl，其中，n表示单臂螺旋辐射体沿环状结构排列的序号，且n＝0，1，2，…，n-1；

(4)绕同轴线旋转单臂螺旋辐射体：

根据单臂螺旋辐射体绕同轴线的旋转方向和旋转角度n·δφl，以n个单臂螺旋辐射体中序号n＝0的辐射体为起点，沿环状结构顺时针或逆时针，依次将每个单臂螺旋辐射体绕同轴线旋转n·δφl度；

(5)获取模态为l的轨道角动量涡旋波束：

电信号经过微带功分器的输入端、各输出端以及与各输出端连接的同轴线，传输给各单臂螺旋辐射体，获得阵列天线提供的数量为2πl的相位补偿后，产生模态为l的轨道角动量涡旋波束。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1)本发明由于产生多模态轨道角动量的相位补偿，是通过以沿环状结构排列的n个单臂螺旋辐射体中的任意一个为基准，沿环状结构顺时针或逆时针，依次将每个单臂螺旋辐射体绕同轴线旋转n·δφl度实现的，产生不同模态的轨道角动量时，只需要调节沿环状结构排列的n个单臂螺旋辐射体绕各同轴线的旋转方向和旋转角度，与现有技术相比，实现了机械可重构特性。

2)本发明在为n个单臂螺旋天线单元提供幅度相等、相位依次相差δφl的激励时，需要利用n个可沿环状结构顺时针或逆时针，绕各同轴线依次旋转n·δφl度的单臂螺旋辐射体和微带功分器，与现有的产生装置相比，简化了馈电网络的结构。

附图说明

图1是本发明产生多模态轨道角动量的装置实施例1的整体结构示意图；

图2是本发明产生多模态轨道角动量的方法实现流程图；

图3是本发明实施例1中单臂螺旋天线单元的结构示意图；

图4是本发明实施示例1中机械可重构阵列天线的s参数特性示意图；

图5是本发明实施示例1中机械可重构阵列天线的轴比ar特性示意图；

图6是本发明实施示例1中机械可重构阵列天线产生模态l＝1的远场三维辐射方向图；

图7是理论的模态l＝1的远场三维辐射方向图；

图8是本发明实施示例1中机械可重构阵列天线产生模态l＝1的电场相位分布图；

图9是理论的模态l＝1的轨道角动量电场相位曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详述：

实施例1：

参照图1，一种机械可重构阵列天线产生多模态轨道角动量的装置，包括第一介质基板1、第一金属地板2、单臂螺旋天线单元3和微带功分器4。第一介质基板1采用介电常数为2.65，半径l1为200mm的圆形介质材料，其厚度h1为1mm；在第一介质基板1的上表面印制有第一金属地板2，该第一金属地板2的形状和大小与第一介质基板1相同；在第一介质基板1的上方固定有n＝8个单臂螺旋天线单元3，其中，该n＝8个单臂螺旋天线单元3位于距离第一金属地板2高度s为35mm的同一水平面上，且沿半径r1为120mm的圆周排列，形成环状结构，且环状结构的轴线与第一介质基板1的轴线重合；在第一介质基板1的下表面印制有微带功分器4，该微带功分器4的各输出端口通过同轴线32，为n个单臂螺旋辐射体31提供等幅同相的激励，且微带功分器4的对称中心与第一介质基板1的圆心重合；在产生不同模态l的轨道角动量时，环状结构排列的n＝8单臂螺旋辐射体31，以其中任意一个为基准，沿环状结构顺时针或逆时针，依次将每个单臂螺旋辐射体31绕同轴线32旋转不同的角度，产生不同模态l轨道角动量的相位补偿，实现装置的机械可重构特性。

单臂螺旋辐射体31，其结构如图3所示，包括微带螺旋臂311、电阻312、第二介质基板313和匹配圆盘314，所述微带螺旋臂311采用右旋结构，圈数t＝3.5，印制在第二介质基板313的上表面，且微带螺旋臂311的中心与第二介质基板313的中心重合；在微带螺旋臂311的尾端焊接有阻值z＝160ω的电阻312；该第二介质基板313采用介电常数为2.65，半径r2为33mm的圆形介质材料，其厚度h2为1mm；在第二介质基板313下表面的中心位置固定有匹配圆盘314。匹配圆盘314包括第三介质基板和第二金属地板；第三介质基板采用介电常数为2.65，半径r3为10mm的圆形介质材料，其厚度h3为2mm；在第三介质基板的下表面印制有第二金属地板，该第二金属地板的形状和大小与第三介质基板相同。

在第一介质基板1上设有n＝8个过孔，其位置分别在微带功分器的8个输出端口附近，在第二介质基板313与第三介质基板的中心附近设置有过孔，同轴线32内芯的下端穿过第一介质基板1上的过孔，上端穿过第二介质基板313和第三介质基板上的过孔，连接微带功分器4的各输出端口与各微带螺旋臂311，实现对各单臂螺旋辐射体31进行等幅同向馈电的特性；同轴线32的外芯下接第一金属地板2，上接第二金属地板，实现共地特性。

参照图2，一种机械可重构阵列天线产生多模态轨道角动量的方法，包括以下步骤：

步骤1：给定参数l、n，计算相位差δφl：

给定单臂螺旋天线的个数n＝8，根据-n/2＜l＜n/2，且l为非零整数，本实施例可以产生模态l为1或2或3或-1或-2或-3的轨道角动量，下面仅以l＝1为例作具体说明：

根据公式δφl＝2πl/n，计算相邻单臂螺旋天线单元之间的相位差δφl＝1＝2π×1/8＝π/4；

步骤2：确定单臂螺旋辐射体绕同轴线的旋转方向：

根据微带螺旋臂采用右旋结构，轨道角动量的模态l＝1＞0，确定单臂螺旋辐射体绕同轴线逆时针旋转；

步骤3：确定单臂螺旋辐射体绕同轴线的旋转角度n·δφl：

选取n＝8个单臂螺旋辐射体中的任意一个为基准，确定各单臂螺旋辐射体绕同轴线的旋转角度n·δφl分别为0°，45°，90°，135°，180°，225°，270°，315°，其中，n表示单臂螺旋辐射体沿环状结构排列的序号，且n＝0,1,2,…,7；

步骤4：绕同轴线旋转单臂螺旋辐射体：

以n＝8个单臂螺旋辐射体中序号n＝0的辐射体为起点，沿环状结构逆时针，将序号n＝1的辐射体绕同轴线逆时针旋转45°，序号n＝2的辐射体绕同轴线逆时针旋转90°，序号n＝3的辐射体绕同轴线逆时针旋转135°，序号n＝4的辐射体绕同轴线逆时针旋转180°，序号n＝5的辐射体绕同轴线逆时针旋转225°，序号n＝6的辐射体绕同轴线逆时针旋转270°，序号n＝7的辐射体绕同轴线逆时针旋转315°；

步骤5：获取模态为l＝1的轨道角动量涡旋波束：

电信号经过微带功分器的输入端、各输出端以及与各输出端连接的同轴线，传输给各单臂螺旋辐射体，当电信号得到阵列天线提供的数量为2π的相位补偿，从而产生了模态l＝1的轨道角动量涡旋波束。

本实施例产生模态l＝2的轨道角动量时，每个单臂螺旋辐射体在模态l＝1的基础上，绕各同轴线逆时针多旋转45；

本实施例产生模态l＝3的轨道角动量时，每个单臂螺旋辐射体在模态l＝1的基础上，绕各同轴线逆时针多旋转90°；

本实施例产生模态l＝-1的轨道角动量时，根据轨道角动量的模态l＝-1＜0，确定单臂螺旋辐射体绕同轴线顺时针旋转，以n＝8个单臂螺旋辐射体中序号n＝0的辐射体为起点，沿环状结构逆时针，将序号n＝1的辐射体绕同轴线顺时针旋转45，序号n＝2的辐射体绕同轴线顺时针旋转90°，序号n＝3的辐射体绕同轴线顺时针旋转135°，序号n＝4的辐射体绕同轴线顺时针旋转180，序号n＝5的辐射体绕同轴线顺时针旋转225°，序号n＝6的辐射体绕同轴线顺时针旋转270°，序号n＝7的辐射体绕同轴线顺时针旋转315°；

本实施例产生模态l＝-2的轨道角动量时，每个单臂螺旋辐射体在模态l＝-1的基础上，绕各同轴线顺时针多旋转45°；

本实施例产生模态l＝-3的轨道角动量时，每个单臂螺旋辐射体在模态l＝-1的基础上，绕各同轴线顺时针多旋转90°；

实施例2：

实施例2与实施例1结构相同，仅对以下参数进行了调整。

单臂螺旋天线单元的个数n＝4，环状结构的半径r1＝80mm，微带螺旋臂311的圈数t＝3，电阻312的阻值z＝140ω，第二介质基板313的半径为r2＝25mm。

实施例3：

实施例3与实施例1结构相同，仅对以下参数进行了调整。

单臂螺旋天线单元的个数n＝14，环状结构的r1＝140mm，微带螺旋臂311的圈数t＝4，电阻312的阻值z＝180ω，第二介质基板313的半径为r2＝48mm。

以下结合仿真实验，对本发明的技术效果进一步说明：

1、仿真条件和内容：

利用ansyshfss软件对实施例1的s参数在2-5ghz范围内进行仿真计算，结果如图4所示。

利用ansyshfss软件对实施例1的轴比ar在2-5ghz范围内进行仿真计算，结果如图5所示。

利用ansyshfss软件对实施例1的模态l＝1远场三维辐射方向图在2.7ghz处进行仿真，结果如图6所示。

利用ansyshfss软件对实施例1的模态l＝1的电场相位在2.7ghz处进行仿真，结果如图8所示。

2、仿真结果分析：

参照图4，本发明装置在s11大于10db时，具有3.38-4.52的工作频带，相对带宽29％，而现有的产生轨道角动量的阵列天线结构，其工作带宽在10％以内，说明本发明机械可重构阵列天线的带宽大大领先于现有的阵列天线，提高工作效率。

参照图5，本发明装置在轴比ar小于3db时，具有2.72-3.82的工作频带，相对带宽34％，而现有的产生轨道角动量的阵列天线结构，其轴比ar一般都大于3db，说明本发明机械可重构阵列天线在较宽的频带内都可以产生圆极化轨道角动量，从而有利于避免极化失配，减少多径反射。

图6是本发明实施示例1中机械可重构阵列天线产生模态l＝1的远场三维辐射方向图，与图7所示理论的模态l＝1的远场三维辐射方向图一致，对比图6和图7，表明本发明方法可以产生模态l＝1的高增益轨道角动量涡旋波。

图8是本发明实施示例1中机械可重构阵列天线产生模态l＝1的电场相位分布图，与图9所示理论的模态l＝1的轨道角动量电场相位曲线一致，对比图8和图9，表明本发明方法可以产生模态l＝1的轨道角动量涡旋波。

以上仿真结果说明利用本发明装置和方法，可以产生多模态、高增益的轨道角动量涡旋波。

以上描述和实施例，仅为本发明的优选实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和设计原理后，都可能在基于本发明的原理和结构的情况下，进行形式上和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。