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申请/专利权人：朱永忠

摘要：本发明涉及天线领域，尤其涉及一种单绕螺旋OAM天线以及螺旋OAM天线。天线包含一个金属螺旋和碗形金属反射板；同轴馈线内导体一和同轴馈线外导体一二者构成整体的同轴馈线；同轴馈线外导体一与碗形金属反射板的底部焊接；同轴馈线内导体一与金属螺旋焊接，碗形金属反射板底部开有孔，供同轴馈线一穿入。有益效果：本发明提出的螺旋OAM天线，结构简单紧凑，尺寸较小，同时实现了较高的增益，着力解决了OAM天线小型化和增益间的矛盾；另外，通过集成多个不同尺寸的单绕螺旋，该天线还能复用多种OAM模态。综上，本发明具有很强的实际意义。

主权项：1.一种螺旋OAM天线，其特征在于，天线包含两个内外嵌套的金属螺旋（1）和一个碗形金属反射板（3），两个内外嵌套的金属螺旋（1）设置在碗形金属反射板（3）之内；同轴馈线内导体一（6）和同轴馈线外导体一（4）二者构成整体的同轴馈线一，同轴馈线内导体二（7）和同轴馈线外导体二（5）二者构成整体的同轴馈线二；同轴馈线外导体一（4）以及同轴馈线外导体二（5）与碗形金属反射板（3）的底部焊接；同轴馈线内导体一（6）以及同轴馈线内导体二（7）与两个金属螺旋（1）焊接，碗形金属反射板（3）底部开有两个孔（8），供同轴馈线穿入；两个金属螺旋（1）的单匝环周长应分别为环上行波电流相波长的3倍和2倍；为在4.8GHz产生模式数l=2和3的OAM波束，各参数尺寸如下：L1=90mm、L2=110mm、H=17mm、D1=61.5mm、D2=42.2mm；L1为碗形金属反射板（3）下方的直径尺寸，L2为碗形金属反射板（3）上方的直径尺寸，H为碗形金属反射板（3）的高度，D1为外部的金属螺旋的直径，D2为内部的金属螺旋的直径；在4.8GHz,对同轴馈线一和同轴馈线二分别馈电时，该天线分别产生了l=2和l=3的OAM涡旋相位；在两种模态下，该天线方向图呈辐射能量较为集中的OAM中空形态；在模式数l=2时最大增益达8.4dB，在模式数l=3时最大增益达8.7dB。

全文数据：一种单绕螺旋OAM天线以及螺旋OAM天线技术领域本发明涉及天线领域，尤其涉及一种单绕螺旋OAM天线以及螺旋OAM天线。背景技术当前，全球进入信息互联时代，无线通信的业务需求日益增长，无线频谱资源紧缺的问题也日益突出，各种提升频谱利用效率的无线电技术应运而生。随着这些技术的广泛应用和逐步成熟，无线频谱资源的利用率得到了较大增长；但同时，现有技术如时分、空分复用技术，MIMO技术，高阶相位调制等均是基于频率、相位、时间、空间、振幅等这些电磁波的传统复用维度来提升频谱利用效率；随着这些维度被日趋充分地开发，基于这些维度的调制和编码技术难以再让现有频谱效率有大幅度的提升。然而，近来兴起的轨道角动量OrbitalAngularMomentum,OAM通信技术却将传统平面波扭曲成涡旋电磁波，用不同模态涡旋电磁波间的正交性提供全新的复用维度，极大提升频谱效率。OAM的可观前景，使OAM天线的研发成为当前热点。目前，OAM天线可分为均匀圆形阵列、螺旋相位板、电磁超表面和环形行波天线四类。由于OAM的涡旋本质，其波束存在中心相位奇点，因而总是呈中空、发散的形状，导致其辐射能量不集中。因此，除阵列天线和带有大型反射面的天线外，现有OAM天线的增益大都很不理想。而另一方面，若采用阵列或大型反射板结构，天线的尺寸便难以做到小型化。然而，现有的单绕轴向模螺旋天线可看作是由环形行波天线组成的一种紧凑的均匀直线阵；因此，若改变轴向模螺旋天线的尺寸参数，使其等效的行波电流环阵元符合环形行波产生OAM的条件，即可在有限的物理口径和剖面内，实现一种具有较高增益的阵列OAM天线，从而解决上述问题。另一方面，相对于真空中的工作波长，轴向模螺旋天线的螺旋间距S较小，螺旋导体总长度较大,因此轴向模螺旋天线可近似为由N个直径为D的行波电流环以间距S组成的均匀直线阵，其中N为螺旋匝数，D为单匝螺旋直径。因此，若调节D使单匝螺旋周长满足即可使螺旋天线产生模数为l的OAM波束。发明内容发明的目的：为了提供一种效果更好的单绕螺旋OAM天线以及螺旋OAM天线，具体目的见具体实施部分的多个实质技术效果。为了达到如上目的，本发明采取如下技术方案：一种单绕螺旋OAM天线，其特征在于，天线包含一个金属螺旋和碗形金属反射板；同轴馈线内导体一和同轴馈线外导体一二者构成整体的同轴馈线；同轴馈线外导体一与碗形金属反射板的底部焊接；同轴馈线内导体一与金属螺旋焊接，碗形金属反射板底部开有孔，供同轴馈线一穿入。本发明进一步技术方案在于，激励源经所述同轴馈线一能够向所述金属螺旋馈电，能够在所述金属螺旋表面激起相应电流分布。本发明进一步技术方案在于，所述金属螺旋总长相比于电磁波波长较长，金属螺旋表面电流近似呈无反射的行波分布；金属螺旋总长即单匝环周长乘以金属螺旋所含总匝数。一种螺旋OAM天线，其特征在于，天线包含两个金属螺旋和一个碗形金属反射板；同轴馈线内导体一和同轴馈线外导体一二者构成整体的同轴馈线一，同轴馈线内导体二和同轴馈线外导体二二者构成整体的同轴馈线二；同轴馈线外导体一以及同轴馈线外导体二与碗形金属反射板的底部焊接；同轴馈线内导体一以及同轴馈线内导体二与金属螺旋1焊接，碗形金属反射板底部开有两个孔，供同轴馈线穿入。采用如上技术方案的本发明，相对于现有技术有如下有益效果：本发明提出的螺旋OAM天线，结构简单紧凑，尺寸较小，同时实现了较高的增益，着力解决了OAM天线小型化和增益间的矛盾；另外，通过集成多个不同尺寸的单绕螺旋，该天线还能复用多种OAM模态。综上，本发明具有很强的实际意义。附图说明为了进一步说明本发明，下面结合附图进一步进行说明：图1-1以及图1-2是本发明实施例的结构示意图；图2-1以及图2-2是本发明实施例的的尺寸参数图；其中，下标i取1或2，分别表示螺旋1和螺旋2的对应参数的尺寸；图3-1以及3-2是天线在4.8GHz产生的的涡旋相位图3-1为＝2，3-2为＝3；图4-1以及图4-2是天线在4.8GHz产生的三维辐射方向图4-1为＝2，4-2为＝3；图5是本发明实施例产生OAM的原理图；其中：1金属螺旋一、2金属螺旋二、3碗形金属反射板、4同轴馈线外导体一、5同轴馈线外导体二、6同轴馈线内导体一、7同轴馈线内导体二、8孔。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。本专利提供多种并列方案，不同表述之处，属于基于基本方案的改进型方案或者是并列型方案。每种方案都有自己的独特特点。实施例一：一种单绕螺旋OAM天线，其特征在于，天线包含一个金属螺旋1和碗形金属反射板3；同轴馈线内导体一6和同轴馈线外导体一4二者构成整体的同轴馈线；同轴馈线外导体一4与碗形金属反射板3的底部焊接；同轴馈线内导体一6与金属螺旋1焊接，碗形金属反射板3底部开有孔8，供同轴馈线一穿入。激励源经所述同轴馈线一能够向所述金属螺旋1馈电，能够在所述金属螺旋1表面激起相应电流分布。激励源经所述同轴馈线向所述螺旋馈电，将在所述螺旋表面激起相应电流分布。由于所述螺旋总长指单匝环周长乘以螺旋所含总匝数相比于电磁波波长较长，螺旋表面电流近似呈无反射的行波分布。因此，所述螺旋可看作由多个载有环形行波电流的环天线沿所述螺旋1轴向呈直线均匀排列所形成的天线阵列，其阵元数等于所述螺旋1的匝数。经理论分析，载有环形行波电流的环天线，若环周长是电流行波波长的整数l倍，就能产生模式数为l的OAM。因此，适当调整所述螺旋的单匝周长，即可在所需频点产生特定模式数的OAM。本发明进一步技术方案在于，所述金属螺旋1总长相比于电磁波波长较长，金属螺旋1表面电流近似呈无反射的行波分布；金属螺旋1总长即单匝环周长乘以金属螺旋1所含总匝数。实施例二：一种螺旋OAM天线，其特征在于，天线包含两个金属螺旋1和一个碗形金属反射板3；同轴馈线内导体一6和同轴馈线外导体一4二者构成整体的同轴馈线一，同轴馈线内导体二7和同轴馈线外导体二5二者构成整体的同轴馈线二；同轴馈线外导体一4以及同轴馈线外导体二5与碗形金属反射板3的底部焊接；同轴馈线内导体一6以及同轴馈线内导体二7与金属螺旋1焊接，碗形金属反射板3底部开有两个孔8，供同轴馈线穿入。实施例一和实施例二分别产生模式数为3和2的OAM波束。根据前述原理，所述螺旋1、螺旋2的单匝环周长应分别为环上行波电流相波长的3倍和2倍。经优化设计，在本具体的实施例中，为在4.8GHz产生模式数l＝2和3的OAM波束，最终确定图2-1、图2-2中的各参数尺寸如下表：单位：mmL1L2HdSD1D290110173561.542.2对该实施例用商用有限元仿真软件ANSYSHFSS进行了仿真分析。如附图所示，在4.8GHz,对同轴馈线5和同轴馈线4分别馈电时，该天线分别产生了l＝2和l＝3的OAM涡旋相位，与理论分析吻合，达到了设计目标。如图4所示，在两种模态下，该天线方向图呈典型的OAM中空形态，但中空部分较窄，辐射能量较为集中。同时，最大增益达8.4dBl＝2和8.7dBl＝3，高于相同尺寸下的大多数现有OAM天线。结合图5：如图所示为载有行波电流的环形天线示意图。图中，θ为俯仰角，为方位角；r为远场中某点P的位置矢量，r′为环形天线上某点的位置矢量；R为环形行波天线的半径。当环周长为行波波长的整数l倍时，环上电流分布可表示为其中，为环形天线上各点电流相量随方位角变化的函数，I0为行波电流的幅值。自由空间中磁矢位Ar可由此计算为其中的环积分表示沿环形天线进行积分。再由可得自由空间中的电磁场各分量方程为其中，C为常数，C＝-j-lRI02；Jl-1和Jl+1分别是Jl-1kRsinθ和Jl+1kRsinθ的缩写，表示l-1和l+1阶贝塞尔函数。H为磁场强度，E为电场强度，Eρ、Hρ等为电场、磁场在柱坐标系中的各方向分量；ω为电磁波角频率，k为自由空间中波数，ε为自由空间中的介电常数。开创性地，以上各个效果独立存在，还能用一套结构完成上述结果的结合。以上结构实现的技术效果实现清晰，如果不考虑附加的技术方案，本专利名称还可以一种新型天线。图中未示出部分细节。需要说明的是，本专利提供的多个方案包含本身的基本方案，相互独立，并不相互制约，但是其也可以在不冲突的情况下相互组合，达到多个效果共同实现。以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本领域的技术人员应该了解本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的范围内。

权利要求：1.一种单绕螺旋OAM天线，其特征在于，天线包含一个金属螺旋（1）和碗形金属反射板（3）；同轴馈线内导体一（6）和同轴馈线外导体一（4）二者构成整体的同轴馈线；同轴馈线外导体一（4）与碗形金属反射板（3）的底部焊接；同轴馈线内导体一（6）与金属螺旋（1）焊接，碗形金属反射板（3）底部开有孔（8），供同轴馈线一穿入。2.如权利要求1所述的一种单绕螺旋OAM天线，其特征在于，激励源经所述同轴馈线一能够向所述金属螺旋（1）馈电，能够在所述金属螺旋（1）表面激起相应电流分布。3.如权利要求1所述的一种单绕螺旋OAM天线，其特征在于，所述金属螺旋（1）总长相比于电磁波波长较长，金属螺旋（1）表面电流近似呈无反射的行波分布；金属螺旋（1）总长即单匝环周长乘以金属螺旋（1）所含总匝数。4.一种螺旋OAM天线，其特征在于，天线包含两个金属螺旋（1）和一个碗形金属反射板（3）；同轴馈线内导体一（6）和同轴馈线外导体一（4）二者构成整体的同轴馈线一，同轴馈线内导体二（7）和同轴馈线外导体二（5）二者构成整体的同轴馈线二；同轴馈线外导体一（4）以及同轴馈线外导体二（5）与碗形金属反射板（3）的底部焊接；同轴馈线内导体一（6）以及同轴馈线内导体二（7）与金属螺旋（1）焊接，碗形金属反射板（3）底部开有两个孔（8），供同轴馈线穿入。

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