N环嵌套圆环贴片的多频多OAM涡旋电磁波生成方法技术

本发明专利技术公开了一种N环嵌套圆环贴片的多频多OAM涡旋电磁波生成方法，利用圆环贴片天线的辐射机理，采用多环嵌套圆形贴片结构，通过在每个圆环上添加不对称元素，调控天线的极化并保证涡旋电磁波产生的相位条件，并通过调控嵌套圆环的尺寸和单馈电端口的位置，即径向位置及与水平方向的夹角，来同时实现同频点多OAM涡旋电磁波及不同频点相同OAM涡旋电磁波的产生。的产生。的产生。

【技术实现步骤摘要】
N环嵌套圆环贴片的多频多OAM涡旋电磁波生成方法


[0001]本专利技术属于射频天线
，更为具体地讲，涉及一种N环嵌套圆环贴片的多频多OAM涡旋电磁波生成方法。

技术介绍

[0002]涡旋电磁波起源于由Allen L等人发布于《Physical Review A Atomic Molecular》45期11刊上的“Orbital angular momentum of light and transformation of Laguerre Gaussian Laser modes”一文中所指出，携带OAM(Orbital Angular Momentum)的拉盖尔
‑
高斯光束的等相位面具有螺旋状的结构即会绕着光传播的轴线方向旋转。理论上OAM具有无限个状态，且每个状态彼此相互正交，通过对不同状态的涡旋电磁波进行信息的调制和传输，可以实现对于通信系统容量的扩充。所以为了实现在射频领域的应用，产生射频频段的涡旋电磁波成为了至关重要的前提。
[0003]目前涡旋电磁波的产生方式有很多种，主要有相控阵天线，超表面天线，单一微带贴片天线等。利用相控阵天线产生涡旋电磁波,需要复杂的馈电网络来实现多端口馈电，而且阵列的体积庞大且造价昂贵，限制了阵列天线的很多应用场景。超表面天线易于波束聚焦，但单元数量多、辐射效率低。其中单一微带贴片天线结构简单，易于实现且成本低，但是OAM的模式数较少多为一个，所以采用结构简单的微带贴片天线实现同一频点多模式涡旋电磁波的产生对于OAM在无线通信的应用具有非常重要的意义，同时实现不同频点同一模式数OAM的涡旋电磁波的产生，在频域维度拓宽了信道容量。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种N环嵌套圆环贴片的多频多OAM涡旋电磁波生成方法，通过调控嵌套环的个数、尺寸和单馈电端口的位置，在相同频点产生多个OAM模式涡旋电磁波且同时在不同频点产生相同OAM模式涡旋电磁波。
[0005]为实现上述专利技术目的，本专利技术一种N环嵌套圆环贴片的多频多OAM涡旋电磁波生成方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0006](1)、在电磁仿真软件的时域求解器中建立N环圆环贴片模型，其结构包含以下方面:
[0007](1.1)、设置一个厚度为h、相对介电常数为ε
r
的方形介质基板，用于支撑圆环贴片；
[0008](1.2)、在介质基板背部建立与介质基板同样大小的金属板，用于接地；
[0009](1.3)、在介质基板的正面刻制厚度为t的N环嵌套圆环贴片，且在N环嵌套圆环每个圆环外边缘水平方向添加一对长方形金属贴片；
[0010](1.4)、设置N个同轴馈电端口，分别位于N环嵌套圆环贴片上，且与水平方向夹角为θ，用于激励N环嵌套圆环贴片；
[0011](2)、选择N环嵌套圆环贴片的工作模式为TM
n1
，即场沿圆环径向的变化次数为1，场
沿沿方位向的变化次数为n；
[0012](3)、设置N环嵌套圆环贴片多个OAM模式的相同工作频率为f
n1
；
[0013](4)、设置单馈电端口与水平方向的夹角为θ，得到：
[0014]tan(nθ)＝
±1[0015](5)、当单馈电端口激励同一圆环上，在不同频点产生不同的OAM模式时，得到变化次数n的取值：
[0016][0017]其中，s在整数范围内取值；
[0018](6)、考虑角度nθ所在的象限，多嵌套圆环相同工作频率f
n1
处不同OAM模式l
s
为：
[0019][0020](7)、选取其中一个圆环上不同频率处的相同OAM模式为l
q
，l
q
在l
s
的范围内取值，其对应的工作频率仍为f
n1
；
[0021](8)、根据高次谐波原理，其他多嵌套圆环相同OAM模式l
q
的不同工作频点f
p1
为：
[0022][0023]其中，n
p
在n的范围内取值；
[0024](9)、根据步骤(5)到(8)，确定出相同频点f
n1
处不同OAM模式l
s
或者相同OAM模式l
q
工作在不同工作频点时n的取值范围；
[0025](10)、设置天线的内外半径比τ
n1
＝b
n1
/a
n1
，设置参量χ
n1
＝k
n1
a
n1
，k
n1
为截止波数，建立如下关系式：
[0026]J
n
'(τ
n1
χ
n1
)Y
n
'(χ
n1
)
‑
J
n
'(χ
n1
)Y
n
'(τ
n1
χ
n1
)＝0
[0027]其中，J
n
(
·
)和Y
n
(
·
)分别为n阶第一类和第二类贝塞尔函数；
[0028](11)、根据步骤(9)中n的取值范围和步骤(10)中的理论关系，计算用于多环嵌套圆环金属贴片的内外环半径a
n1
和b
n1
的值；
[0029](12)、计算N环嵌套圆形金属贴片的每个圆环的面积S
n1
；
[0030](13)、根据每个圆环上n的取值，设置长方形金属贴片的长和宽，分别为w
n1
、d
n1
，并利用仿真软件进行仿真优化，仿真优化完成后，多环嵌套圆环贴片天线同时实现同频点多OAM和不同频点同一OAM涡旋电磁波的产生。
[0031]本专利技术的专利技术目的是这样实现的：
[0032]本专利技术一种N环嵌套圆环贴片的多频多OAM涡旋电磁波生成方法，利用圆环贴片天线的辐射机理，采用多环嵌套圆形贴片结构，通过在每个圆环上添加不对称元素，调控天线的极化并保证涡旋电磁波产生的相位条件，并通过调控嵌套圆环的尺寸和单馈电端口的位置，即径向位置及与水平方向的夹角，来同时实现同频点多OAM涡旋电磁波及不同频点相同OAM涡旋电磁波的产生。
[0033]同时，本专利技术一种N环嵌套圆环贴片的多频多OAM涡旋电磁波生成方法还具有以下
有益效果：
[0034]本专利技术所提出的天线设计方法可以同时在不同频点产生相同OAM模式涡旋电磁波以及同时在相同频点产生不同OAM模式的涡旋电磁波，与传统的微带涡旋电磁波天线相比，保留结构简单、尺寸较小以及造价低廉的特点，同时具有多频多模工作的优点，可以适用更加多的应用场景，拓宽涡旋电磁波在无线通信、高分辨成像的应用范围。
附图说本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种N环嵌套圆环贴片的多频多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环圆环贴片模型，其结构包含以下方面:(1.1)、设置一个厚度为h、相对介电常数为ε
r
的方形介质基板，用于支撑圆环贴片；(1.2)、在介质基板背部建立与介质基板同样大小的金属板，用于接地；(1.3)、在介质基板的正面刻制厚度为t的N环嵌套圆环贴片，且在N环嵌套圆环每个圆环外边缘水平方向添加一对长方形金属贴片；(1.4)、设置N个同轴馈电端口，分别位于N环嵌套圆环贴片上，且与水平方向夹角为θ，用于激励N环嵌套圆环贴片；(2)、选择N环嵌套圆环贴片的工作模式为TM
n1
，即场沿圆环径向的变化次数为1，场沿沿方位向的变化次数为n；(3)、设置N环嵌套圆环贴片多个OAM模式的相同工作频率为f
n1
；(4)、设置单馈电端口与水平方向的夹角为θ，得到：tan(nθ)＝
±
1(5)、当单馈电端口激励同一圆环上，在不同频点产生不同的OAM模式时，得到变化次数n的取值：其中，s在整数范围内取值；(6)、考虑角度nθ所在的象限，多嵌套圆环相同工作频率f
n1
处不同OAM模式l
s
为：(7)、选取其中一个圆环上不同频率处的相同OAM模式为l
q
，l
q
在l
s
的范围内取值，其对应的工作频率仍为f
n1
；(8)、根据高次谐波原理，其他多嵌套圆环相同OAM模式l
q
的不同工作频点f
p1
为：其中，n
p
在n的范围内取值；(9)、根据步骤(5)到(8)，确定出...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨阳，张光旻，沈飞，田乐兰，王禾欣，宫玉彬，
申请(专利权)人：东莞理工学院，
类型：发明
国别省市：