一種雙環結構多模態OAM電磁渦旋波陣列天線的製作方法

2023-05-05 16:37:41

本實用新型涉及天線技術領域，尤其涉及一種雙環結構多模態OAM電磁渦旋波陣列天線。

背景技術：

根據經典電動力學理論，電磁輻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（Spin angular momentum，SAM）和描述螺旋相位結構的軌道角動量（Orbital angular momentum，OAM）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通過實驗驗證之後SAM才被廣泛應用，而軌道角動量（OAM）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幹涉特性；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，並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雷射腔，發現腔內光場具有類似於超流體渦旋的特點，他們採用Maxwell-Bloch模型從理論角度闡釋了渦旋解的存在，促進了關於光束軌道角動量的研究。直到1992年，關於OAM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螺旋雷射束每光子具有軌道角動量，這一結論隨後被推廣到非近軸近似的情況。自此之後，關於OAM應用的研究引起了人們的巨大興趣。

OAM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OAM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，並提出了「光學扳手」的概念，他們發現使用OAM光束的光鑷系統對粒子的束縛能力遠高於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、病毒等的研究有著重要意義。

無論在光學領域中還是在無線電領域，OAM都是表徵具有螺旋相位結構波形的自然屬性。OAM在光學中已經被廣泛應用，通過引入OAM，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於低頻，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電磁渦旋波，開創了將軌道角動量應用在無線通信中的先河，提出了利用電磁渦旋波用於擴大無線通信容量的設想，啟發了在無線通信中使用OAM載波的思想。2008年，Garcia-Escartin等人研究了基於光子OAM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於天線陣列的OAM波束生成方法。2012年，Edfors等人建議在無線通信系統中使用OAM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。實驗採用螺旋拋物面天線和八木天線分別產生具有OAM模態的電磁渦旋波和正常電磁波，並在同一頻點上，以不同的OAM模態值對不同的波束進行編碼傳輸。並在上述裝置的基礎上，在接收端利用相位幹涉儀測量波束中電場的相位差，驗證了電磁渦旋波的抗幹擾能力。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OAM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，利用OAM復用技術，Bozinovic等人在光纖中也實現T比特量級的數據傳送。此後，一系列關於OAM波束生成的方法被報導出來，例如，Deng等人提出利用Vivaldi天線陣產生OAM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OAM波；Tennant等人提出了時變陣列（Time-switchedarray，簡稱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OAM復用的理論與技術，需系統研究OAM載波的產生、傳輸和檢測等問題，因此關於OAM無線電波束的生成方法是目前研究的熱點。

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OAM無線電波的方法主要有兩種手段，分別是陣列天線和螺旋拋物面天線。陣列天線通過控制陣元輻射場的相位差產生想要的OAM模式波；螺旋拋物面天線則通過調整拋物面開口兩端的間距產生任意模式的OAM電磁渦旋波。2011年，B.Thide等人利用螺旋拋物面天線產生模態值l＝1的電磁渦旋波，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幹涉儀，利用相位幹涉法來識別OAM的模態值。然而，這種OAM螺旋拋物面天線也有明顯的缺陷，造價高，製作困難，並且實驗中所採用的螺旋拋物面天線結構是一種單一固定結構，不適用於連續相位控制，即一個確定的幾何結構只能產生一種模式的OAM波，這種單一結構不能同時產生多種OAM模態，若需生成不同的OAM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OAM的電磁波，陣列天線是產生攜帶OAM波束的另一種方法，可以通過改變陣元間饋電相位關係來產生不同的OAM模態，即構成陣列天線結構，這種結構可以實現產生多模態OAM的要求。將若干天線單元等規則排成陣列，利用電磁波的幹涉和疊加原理，通過饋電網絡結構或者根據高速射頻開關技術控制各陣元之間的饋電相位差，使電磁場輻射出的能量能在空間中重新分配，實現空間能量的不均勻分布，即某些區域的場增強而某些區域的場減弱，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OAM模態的電磁波。目前使用天線陣列的方法產生OAM電磁渦旋波的研究尚且停留在陣元數目較少的簡單結構，多為4或8陣元單環結構陣列天線，其最大的局限性在於產生的信號中心增益較低方向性較差，且模態數越高這種現象越明顯，這顯然是不利於應用於通信系統的，因此我們需要更好的方法對此進行改進。

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。然而，目前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無線電技術可持續發展的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。與此同時，由於電磁渦旋波的固有特性，模態值越高其方向性越差且在傳輸過程中信號的中心增益較低，該特性不利於信號的接收，這成為OAM陣列天線被廣泛應用於無線通信系統的主要障礙。

技術實現要素：

本實用新型的目的在於通過一種雙環結構多模態OAM電磁渦旋波陣列天線，來解決以上背景技術部分提到的問題。

為達此目的，本實用新型採用以下技術方案：

一種雙環結構多模態OAM電磁渦旋波陣列天線，包括介質基板、若干組陣元以及與各陣元對應的同軸饋線和輸入埠，所述陣元採用微帶貼片天線；所述每組陣元分別以各自設定間隔沿圓周均勻分布排列在所述介質基板的一面，介質基板的另一面為接地面，所述輸入埠通過同軸饋線連接對應陣元。

特別地，所述雙環結構多模態OAM電磁渦旋波陣列天線包括兩組陣元共計16個，每組八個陣元分別以各自設定間隔沿圓周均勻分布排列在所述介質基板上。

特別地，所述兩組陣元分別以半徑為0.6λ和0.8λ沿圓周均勻分布排列在所述介質基板上組成雙環天線陣列，其中λ為雙環天線陣列輻射波長。

特別地，所述陣元被饋送相同的信號，相鄰兩個陣元間的相位差為45°；所述介質基板的半徑為80.66mm。

特別地，所述雙環結構多模態OAM電磁渦旋波陣列天線產生的OAM模態數l為：-4＜l＜4，即l＝0，l＝±1，l＝±2，l＝±3。

特別地，所述雙環結構多模態OAM電磁渦旋波陣列天線工作在5.3GHz頻段。

本實用新型提出的雙環結構多模態OAM電磁渦旋波陣列天線能夠產生性能良好的軌道角動量電磁渦旋波，可以在不增加帶寬的情況下最大化的提高頻譜利用率和系統容量。本實用新型可以實現在同一頻點同時產生多種OAM模態的電磁渦旋波，適用於當下最流行的傳統Wi-Fi、藍牙無線通信。這種基於多模態軌道角動量陣列天線產生的OAM電磁渦旋波用於多路復用，可以在單個信道同時發送多個同軸數據流，達到顯著增加系統容量並提高無線通信頻譜效率的目的。同時，由於使用雙環結構，本實用新型可以有效的改善電磁渦旋波信號的質量，提高其方向性以及增益，獲得更好的天線性能。微帶貼片天線具有造價低、材料易得、質量輕、體積小、低剖面、容易賦形和易集成等結構優點，本實用新型利用微帶貼片天線作為陣元，也繼承了微帶貼片天線的諸多優點。

附圖說明

圖1為本實用新型實施例提供的雙環結構多模態OAM電磁渦旋波陣列天線整體結構示意圖；

圖2為本實用新型實施例提供的微帶貼片天線結構圖；

圖3為本實用新型實施例提供的雙環結構多模態OAM電磁渦旋波陣列天線俯視結構示意圖；

圖4為本實用新型實施例提供的雙環結構多模態OAM電磁渦旋波陣列天線主視結構示意圖；

圖5為高速射頻開關結構示意圖。

具體實施方式

為了便於理解本實用新型，下面將參照相關附圖對本實用新型進行更全面的描述。附圖中給出了本實用新型的較佳實施例。但是，本實用新型可以以許多不同的形式來實現，並不限於本文所描述的實施例。相反地，提供這些實施例的目的是使對本實用新型的公開內容理解的更加透徹全面。需要說明的是，當一個元件被認為是「連接」另一個元件，它可以是直接連接到另一個元件或者可能同時存在居中元件。除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬於本實用新型的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中在本實用新型的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在於限制本實用新型。本文所使用的術語「及／或」包括一個或多個相關的所列項目的任意的和所有的組合。

如圖1至4所示，本實施例中雙環結構多模態OAM電磁渦旋波陣列天線100具體包括介質基板101、若干組陣元102以及與各陣元102對應的同軸饋線103和輸入埠104，所述陣元102採用微帶貼片天線；所述每組陣元102分別以各自設定間隔沿圓周均勻分布排列在所述介質基板101的一面，介質基板101的另一面附上金屬薄層作為接地面105，所述輸入埠104通過同軸饋線103連接對應陣元102。

在本實施例中所述雙環結構多模態OAM電磁渦旋波陣列天線100包括16個陣元102，每組八個陣元102分別以半徑為0.6λ和0.8λ沿圓周均勻分布排列在所述介質基板101上組成雙環天線陣列，其中λ為天線陣列輻射波長。所述陣元102被饋送相同的信號，相鄰兩個陣元102間的相位差為45°；所述介質基板101的半徑為天線陣列一倍波長。介質基板101的厚度為h＝2mm，採用FR4材料，介電常數和損耗角正切分別為ε＝4.4和δ＝0.02。

本實施例中雙環結構多模態OAM電磁渦旋波陣列天線100工作在5.3GHz頻率段，作為陣元102的微帶貼片天線尺寸為12.722×17.224mm2，並採用同軸饋電方式，一般情況下，同軸轉接器安裝在印製電路板的背面，而同軸轉接器的內導體接在貼片上，以便產生最好的匹配，大大簡化天線設計的複雜度。雙環結構多模態OAM電磁渦旋波陣列天線100工作時，對陣元102饋送相同的信號，但是各陣元102之間有相繼連續的相位延遲，使得渦旋波束圍繞軸線旋轉一周後，相位增加2πl，可以通過改變陣元102之間饋電相位差來產生不同的OAM模態，其中l為產生的模態數。需要注意的是，雙環結構多模態OAM電磁渦旋波陣列天線100中陣元102的數目決定所能產生的OAM模態的最大值，即滿足-N/2＜l＜N/2，其中N是雙環結構多模態OAM電磁渦旋波陣列天線100中陣元102的個數，本實施例中雙環結構多模態OAM電磁渦旋波陣列天線100由16陣元102組成雙環結構，故產生的模態數範圍為（-4，4），即l＝0，l＝±1，l＝±2，l＝±3。

本實用新型提出的雙環結構多模態OAM電磁渦旋波陣列天線100製作在一個相對介電常數為4.4和2mm厚FR4介質基板101。陣列半徑r1＝0.6λ，r2＝0.8λ，保持陣列旁瓣在相對較低的水平，並為饋電網絡提供更多的空間。對於一個n元OAM圓形相控陣，所有的輻射陣元都是饋送相同相移增量的信號。陣元102間的相移可以通過2πl/n計算，其中整數l是OAM模式的數量，這樣圍繞陣列軸線旋轉，相位將遞增2πl幾何弧度。那麼可以生成「扭曲」的OAM模式無線電波。

從OAM模態值分別為l＝0，l＝±1，l＝±2，l＝±3的無線電波束電場幅度分布情況可以看出，雙環陣列天線產生的OAM波束具有空間螺旋相位結構特徵，OAM模態分別為l＝0，l＝±1，l＝±2，l＝±3的空間螺旋相位波前結構清晰可見。當OAM模態數l＝0時，所有陣列單元饋送相同的零相移信號，這時陣列並沒有螺旋相位波前，可以看作為一個均勻圓陣。當OAM模態數l＝+1時，這意味著在兩個相鄰陣元間的相位差為+45°，可以產生逆時針的螺旋相位波前；同理當l＝-1時，兩個相鄰陣元間的相位差為-45°，可以產生順時針的螺旋相位波前。當OAM模態從±1提高到±3時，波束中心處的空區域將會擴大，其方向性也會隨OAM模態數目的變化而變化。值得注意的是，當模態數增大到l＝±3時，電磁渦旋波束相位分布出現了不規則的變形，由於陣元的數目決定所能產生的OAM模態的最大值，即存在陣元數目的有限性，陣元數目一定，陣列能夠產生的OAM模態整數值被限制在一定範圍內，N個陣元的陣列天線理論上可生成OAM模式最大值Lmax，可以通過公式-N/2＜l＜N/2得到。因此，產生的模態值越接近Lmax，電磁渦旋波束相位分布變形越明顯。從陣列天線的反射係數可以看出各陣元的諧振頻率具有良好的一致性，陣元間的互耦效應相對較小，這表明陣列天線的10dB帶寬覆蓋5.2GHz～5.44GHz，諧振頻率為5.3GHz。同時由陣列天線的電壓駐波比仿真結果可以看出，在天線的工作頻帶5.2GHz～5.44GHz間，天線陣的電壓駐波比均小於2，性能符合要求。當模態數為l＝0時，主瓣方向與天線陣陣面垂直，電磁能量主要被輻射到天線陣的軸線方向上。當OAM模態數為1時，輻射圖的軸線方向上出現空洞，波束攜帶軌道角動量成為中空波束。隨著模態數的增加，波束中空部分的面積也變大，旁瓣增大並發展成主瓣，陣列的方向性減弱，增益也會隨之發生變化。離開陣面越遠，空洞面積越大，說明隨著傳播距離的增加，波束會不斷擴散。通過調整陣列半徑和陣元數量等手段，可以在一定程度上改善波束的質量。實際上引入雙環結構可改善波束的聚焦性能，使中空部分變小；而增加陣元數量可以提高波束質量外。

由于波束的相位結構基本不會隨著傳輸距離的增加而改變，理論上由本實用新型所述的雙環結構多模態OAM電磁渦旋波陣列天線產生的OAM波應該具有旋轉對稱性質，在輻射圖上θ＝0°兩側的方向圖函數值相等、曲線對稱。然而不同OAM模態值E面和H面的仿真結果並沒有嚴格對稱，這是由陣元不理想導致的，因為作為陣元的矩形貼片不是理想的偶極子，而是具有一定尺寸的幾何結構，由其輻射圖可以看出，是非理想的梨形，不具備旋轉對稱性。這樣的計算結果在一定程度上是反映了實際應用中可能會出現的問題。在傳播方向上，各階都朝傳播方向上輻射能量，但是，高階模態的輻射較前面幾階比較發散，並且從中間凹下去。當陣列OAM模態值分別為l＝0，l＝±1，l＝±2，l＝±3時，由貼片天線陣列E面和H面輻射模式圖的變化情況可以看出，陣元數為N=16時，當l＝0時，主瓣在貼片天線陣列的軸線方向上（即Z軸），電磁能量主要是朝著垂直於陣列的方向上輻射，隨著模態數目的增加，主瓣面積變小，旁瓣面積增加，所以在實際情形中，為了將更多的電磁能量集中輻射到主瓣方向上，需要兼顧主瓣和旁瓣水平，適當的選擇OAM模態值和陣列半徑就顯得很重要。當l≠0時，輻射圖在軸線方向上會出現空洞，並且模式數l越大，空洞也越大，而使用雙環可以使波束變窄，從而在一定程度上減小空洞的大小，改變波束的方向性，從而進一步解釋了OAM螺旋波束是中空波束，貼片天線陣列所輻射的電磁能量都集中到了繞軸線的圓環上，軸線附近是沒有場存在的，或者說場變得很弱，這也是天線方向圖在軸線方向上出現空洞的原因。通過引入雙環結構，OAM電磁渦旋波的中空性質有了明顯的改善，方向性有所增強。

根據OAM模態值分別為l＝0，l＝±1，l＝±2，l＝±3的不同數值下，雙環結構多模態OAM電磁渦旋波陣列天線的增益的變化情況可知，在中心頻率點附近，隨角度的遞進變化以及OAM模態值的變化，天線各模態最大增益在7-14dB，滿足本實用新型對增益目標的實現要求。仔細觀察增益曲線，增益有如此的帶寬是在無饋電網絡時天線陣列阻抗帶寬很寬的結果，在5.2GHz-5.44GHz時，無饋電網絡的天線匹配良好。而在其他頻段，天線陣列失配，增益下降很明顯，這是由於饋電方式引起的變化，在頻率大約5.3GHz時，正好對應的是諧振頻率，有相當一部分能量後向輻射引起增益變化。需要說明的是，微帶天線的增益、帶寬、方向圖等多項技術指標是互相聯繫、互相影響的，設計中不可能全都滿足，肯定存在顧此失彼的情況。提高微帶陣列天線的性能，要從以上各個指標中，按工程需要找出一個平衡點。從對該天線的仿真分析，可以看到該陣列天線模型基本可以滿足普通天線陣列的需求，也證實所實用新型的微帶貼片天線陣列模型的實際可行性。

本實用新型的技術方案能夠產生性能良好的軌道角動量電磁渦旋波，可以在不增加帶寬的情況下最大化的提高頻譜利用率和系統容量。本實用新型可以實現在同一頻點同時產生多種OAM模態的電磁渦旋波，適用於當下最流行的傳統Wi-Fi、藍牙無線通信。這種基於多模態軌道角動量陣列天線產生的OAM電磁渦旋波用於多路復用，可以在單個信道同時發送多個同軸數據流，達到顯著增加系統容量並提高無線通信頻譜效率的目的。同時，由於使用雙環結構，本實用新型可以有效的改善電磁渦旋波信號的質量，提高其方向性以及增益，獲得更好的天線性能。微帶貼片天線具有造價低、材料易得、質量輕、體積小、低剖面、容易賦形和易集成等結構優點，本實用新型利用微帶貼片天線作為陣元，也繼承了微帶貼片天線的諸多優點。本實用新型具體優點如下：（1）可以產生攜帶多種模態軌道角動量的電磁渦旋波，其中所生成模態值分別為l＝0，l＝±1，l＝±2，l＝±3，攜帶不同OAM模態的信息可以在同一時間、同一頻點進行無幹擾傳輸，顯著提高頻譜利用率和系統容量。（2）相比傳統天線，本實用新型天線性能好，可以有效的改善電磁渦旋波信號的質量，提高其方向性以及增益。（3）可以產生工作在5.3GHz的電磁渦旋波，適用於當下最流行的Wi-Fi、ZigBee、藍牙頻段，對本實用新型進行實驗室仿真，得到陣列天線的增益、三維輻射圖及方向圖等特性參數，由仿真結果可以看出所本實用新型具有良好的性能表現。驗證了本實用新型在實際通信系統中的可行性。（4）可以產生多種模態OAM電磁渦旋波信號，將多路攜帶OAM模態且具有極化特性的電磁波信號在同一頻點上進行復用，並在同一時間進行信息傳輸，形成一種OAM空間復用方式，可以在不增加帶寬的情況下實現系統容量的最大化，有效緩解當前日益增長的帶寬需求同有限頻譜資源之間的突出矛盾。

本實用新型將OAM技術、矩形微帶貼片天線技術、高速射頻開關技術、陣列天線設計技術統一運用於本實用新型中，實現在同一頻點同時產生多種OAM模態的電磁渦旋波，適用於當下最流行的傳統Wi-Fi、藍牙無線通信。這種基於多模態軌道角動量陣列天線產生的OAM電磁渦旋波用於多路復用，可以在單個信道發送多個同軸數據流，達到顯著增加系統容量和提高無線通信頻譜效率的目的。下面對本實用新型用到的OAM技術、矩形微帶貼片天線技術、高速射頻開關技術、陣列天線設計技術詳細說明如下：

一、OAM技術

1992年，Allen首次用實驗證明了電磁波攜帶自旋角動量和軌道角動量。SAM與極化有關，OAM與空間相位有關。OAM的螺旋相位波束擁有一個方位角因子理想狀態下，OAM具有無限制的l值，可正可負，正數表示左旋，負數表示右旋，即能提供無限量態的OAM階數，並且彼此正交。將軌道角動量添加到電磁波上時，電磁波的相位波前將呈現出非平面的扭曲結構，可在其上調製所需的信息，提高電磁波的信息傳遞和信息獲取能力。相位旋轉因子決定了渦旋波束空間相位分布結構，不同OAM模態的渦旋波束的空間結構不同。與傳統調製採用信號的幅度、相位、頻率承載信息相比，軌道角動量是利用攜帶不同模態OAM的電磁渦旋波來承載信息，而極化調製方式是採用極化狀態來承載信息。空間信號電磁場的角動量可以表示為

J=∫ε0r×Re{E×B*}dV （4-1）角動量可以分解為軌道角動量（OAM）和自旋角動量（SAM）

J=L+S （4-2）

其中

S＝ε0∫Re{E*×A}dV （4-4）

是軌道角動量算子，為虛數單位，A為矢量位函數。S表徵的是電磁波的極化方式，L與電磁波空間相位分布有關。將軌道角動量應用在電磁波中，在正常的電磁波中添加一個相位旋轉因子此時電磁波波前將不再是平面結構，而是繞著波束傳播方向旋轉，呈現出一種螺旋的相位結構，電磁渦旋波可表示為

其中，A(r)為電磁波的幅值，r表示到波束中心軸線的輻射距離，為方位角，l是軌道角動量的本徵值。

攜帶軌道角動量的電磁渦旋波的抗幹擾性，利用不同本徵值的電磁渦旋波的正交特性實現抗幹擾，可以在同一帶寬內並行傳輸多路電磁渦旋波，在理論上不同OAM本徵值的電磁渦旋波彼此之間不會產生信號幹擾。由此，該電磁波信號f1(t)和f2(t)相互正交時應滿足的條件

而具有不同本徵態的OAM狀態是彼此正交的，因為

如果OAM波束所攜帶的本徵值不同，則對其乘積進行積分時結果為零，滿足上述的條件，理論上在傳輸過程中OAM波束就不會產生幹擾。例如：本徵值分別為l1和l2的兩個電磁渦旋波。

根據不同OAM本徵值的電磁渦旋波之間相互正交的這一特性，可以將一組具有不同模態的OAM電磁波作為信號調製的正交基，將多路信號調製在不同OAM模態電磁波上，理想狀態下利用OAM復用技術傳遞信息可以獲得無窮大的通信系統傳輸能力。同時，利用這一特性在接收端用一組具有不同性質的濾波器可以實現分離和檢測具有不同OAM模態的電磁波束。

二、矩形微帶貼片天線技術方

設計天線的首要步驟是選定中心頻率，本文設計的矩形微帶貼片天線以f0作為中心頻率。

根據中心頻率可以算出天線長度L，具體如下：

Le＝λg/2 (4-10)

其中λg表示波導中的波長。

其中λ0表示自由空間波長，εe表示有效介電常數。

其中εr表示介質的相對介電常數。

當介質基片的厚度和相對介電常數確定時，天線的有效介電常數取決於貼片的寬度。在天線安裝尺寸的允許條件下貼片的寬度適當大一些對天線的帶寬、效率和匹配都有利，但是寬度過大也會激勵起高次模，從而引起場的畸變，影響天線的輻射天線。一般情況下，W由下式來確定：

矩形貼片天線的電場在兩條輻射邊之間呈餘弦分布，兩條輻射邊在理論上間距應為λg/2，但實際上由於邊緣場的影響應減去邊緣效應帶來了尺寸增加。所以，矩形微帶天線的貼片長度L為：

C表示真空中的光速，f0表示天線的工作頻率，Δl為邊緣效應帶來的長度延伸，它與貼片寬度及基片的厚度和有效相對介電常數之間的關係為：

由公式（4-13）-（4-14）可以計算出微帶天線大致的長度L，寬度W。

三、高速射頻開關技術

在本實用新型中，雙環結構多模態OAM電磁渦旋波陣列天線具有16個相同的陣元、等間距的圓形天線陣列，每環八個陣元，兩環半徑分別為通過圓形陣列的連續陣元間具有固定的相位差來生成OAM模態，其中l為需要產生的OAM模態值，N為陣元數。為了實現同一陣列在不同的拓撲荷之間自由切換，我可以用一個簡單的射頻開關取代陣列饋電網絡中的相移分量，以形成一個時間開關陣列（TSA）。為了使得TSA產生OAM電磁波，陣列單元需要給出單位振幅和均勻相位的基本工作頻率f0；通過射頻開關切換或激勵圓形相控陣列中的陣元，陣列中每環的8個陣元被依次通電，且兩環同半徑位置的陣元饋電時間相同，使得每個陣元只接通TS/8的時間，其中Ts是整體序列切換周期，並且Ts由射頻開關的周期決定。因此，每環第1-8個陣元的輻射頻率段分別為f0+fs,f0+2fs,f0+3fs…f0+8f（其中fs＝1/Ts）。

如圖5所示，使用高速射頻開關控制16個圓形相控陣列天線陣元，使其生成多個OAM輻射模式。引腳1提供電壓，引腳2為控制輸入端，引腳3是低電平有效的使能端，引腳8是連接PC埠，引腳10是編程/擦除電壓埠，分別控制圓形相控陣列的8個天線陣元是射頻開關的8個N/C，即：引腳4，5，6，7，11，12，13，14，當使能EN為低電平時，8個天線依次工作，開始工作時，引腳4先控制第一個陣子工作Ts/8；之後，第一個陣元停止工作，引腳5控制第二個陣元工作Ts/8；然後，第二個陣元停止工作，引腳6控制第三個陣陣元工作Ts/8；依次類推，依次循環。

Ts不同，產生的OAM模態不同。Ts的設置可通過PC機在線設置時序開關延時參數，實現控制負載的時序啟動和關閉。用單片機作為主控制晶片，通過通信接口下載程序，實現順序控制八路負載的開啟和關閉。

四、陣列天線設計技術

目前，產生軌道角動量的裝置目前主要有四種，分別是透射螺旋面、透射光柵、反射螺旋面和陣列天線，本實用新型主要研究通過天線陣列的方法產生攜帶OAM的電磁波。對於OAM模態值為l的波束，相位的偏移量可以由得出。對於這種相位偏移的產生，陣列的每一個陣元都需要給予某些特定的相位偏移。為了從一個陣列中獲得電場的屬性，我們可以使用陣列因子（AF），它依賴於位移（和陣列的形狀）、相位、電流振幅和陣元的數目。所得到相同的天線總場為

Etotal＝E single element*AF (4-17)

利用對稱性的屬性，多個圓形網格面積相等扇區被選擇。每個單獨陣元的位置被給定。每個陣元中心的半徑矢量為

陣元之間分開的角度

其中，m表示被放置的環陣元，n為所選環的位置。M是環的總數，N是每個環上陣元的總數量

電場表達式由下式給出

由2π的整數倍遞增階段中，每個天線陣元被饋送以相同的輸入信號，陣元到陣元間具有連續的相位延遲2πl/N，其中l為陣列天線產生的OAM模態數，N為陣列天線的陣元個數，需要注意的是，陣列天線陣元的數目決定所能產生的OAM模態的最大值，即滿足-N/2＜l＜N/2。

注意，上述僅為本實用新型的較佳實施例及所運用技術原理。本領域技術人員會理解，本實用新型不限於這裡所述的特定實施例，對本領域技術人員來說能夠進行各種明顯的變化、重新調整和替代而不會脫離本實用新型的保護範圍。因此，雖然通過以上實施例對本實用新型進行了較為詳細的說明，但是本實用新型不僅僅限於以上實施例，在不脫離本實用新型構思的情況下，還可以包括更多其他等效實施例，而本實用新型的範圍由所附的權利要求範圍決定。