轨道角动量多波束产生方法技术

本发明专利技术公开了一种轨道角动量涡旋多波束产生方法，主要解决现有技术无法在单一工作频率下同时产生多个面向不同方向辐射、模态数相同或不同轨道角动量涡旋波束的问题。其实现方案是：选定馈源、波束辐射方向及每个反射单元的几何位置；根据几何位置、工作频率及所需的轨道角动量模态计算每个超表面反射单元所需补偿相位矩阵；选择不同尺寸的电磁超表面单元设计相移网络；将馈源放置在电磁超表面的中心轴向处，使馈源发出的入射波照射到电磁超表面上，得到相移网络提供的补偿相位，产生在设定方向上具有涡旋波阵面的多个轨道角动量电磁涡旋波束。本发明专利技术能有效增加轨道角动量无线通信系统的容量和覆盖范围，用于无线通信系统中不同信号的调制和复用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无线通信
，特别涉及一种轨道角动量电磁涡旋场的产生方法，可用于射频和微波波段。
技术介绍
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OAM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透射型旋转相位板、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，本质上是一种反射型旋转相位板，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复用的波束。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微波波束提供了较好的理论和技术基础。但是为了产生旋转相位的波束，需要复杂的馈电移相网络，不但要保证不同辐射单元之间的相位关系，还要做到功率的一致以保证轨道角动量模态的纯正。当要产生的轨道角动量波束模态值较大时，需要更多的天线单元，这会使系统的复杂度和设计难度大大增加，需要考虑天线单元之间的互耦影响，不利于实际的应用。虽然天线阵技术已经在通信领域广泛运用，但是使用天线阵产生轨道角动量波束需要载波的同步与相位关系，复杂的天线馈电网络与系统结构带来了很大的难度，影响了这一方法的应用。目前，传统轨道角动量天线只能在单一方向上具有高增益特性，因此覆盖范围狭小，且模态单一，通信容量狭窄。采用传统轨道角动量天线只能通过增加天线的数量，同时调整不同天线的摆放位置以实现更大范围的覆盖。这样不但成本高，配置复杂，而且当天线预留安装空间有限时难以安装，不能满足实际通信中的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种轨道角动量多波束产生方法，以解决上述已有技术轨道角动量产生装置结构复杂、指向单一、覆盖范围较小、模态单一的不足，提高通信质量。为实现上述目的，本专利技术的技术方案包括如下：1)选定几何位置关系：选定馈源(1)的中心相对位置波束指向每个电磁超表面反射单元的第m行第n列中心相对位置和直角坐标下的坐标(xmn,ymn)，其中θk是第k个波束与z轴正向的夹角，是第k个波束在xoy面上的极坐标方位角；2)计算补偿相位矩阵：给定工作频率f和轨道角动量本征模态lk，计算每个电磁超表面反射单元所需的补偿相位其中表示中间变量，m＝1,2,…,M，n＝1,2,…,N，M和N分别是电磁超表面反射单元的总行数和总列数，λ为电磁波的工作波长，为第m行第n列的电磁超表面反射单元的补偿相位，i是复数中的虚数单位；3)设计电磁超表面和相移网络：根据相移网络所需补偿相位选取M×N个不同尺寸的方形金属贴片作为相移单元，即不同尺寸的金属贴片补偿相位与相移网络所需相移量一一对应,并将这些方形金属贴片印制到介质基板上形成电磁超表面(2)；将金属背板(3)放置于电磁超表面的背面，同时兼作接地板，进而构成相移网络(4)。4)产生多个轨道角动量涡旋波束：将馈源(1)放置在电磁超表面(2)的中心轴向处，使馈源(1)产生的入射波经过相移网络(4)反射，得到补偿相位，该补偿相位与馈源发出的入射波相位相加，产生朝着不同方向辐射的多个轨道角动量涡旋波束:其中A是电场幅值,表示波束在前进方向上呈现为涡旋波阵面，体现为在传播方向上观察具有exp(ilkΦk)的螺旋相位因子。本专利技术与
技术介绍
相比具有以下优点：1)本专利技术由于精确计算每个电磁超表面反射单元所需的补偿相位，因此可同时产生不同模态、向不同方向辐射的多个轨道角动量涡旋波束；2)本专利技术由于无需外置馈电网络，因而损耗小，尤其对于大口径易于实现较高的辐射效率；3)本专利技术由于对单元结构采用印刷的方形贴片，加工容易，成本低廉；4)本专利技术由于对每个相移单元的相位独立控制，因此设计自由度大，易于实现精确的轨道角动量涡旋波束。附图说明图1是本专利技术的实现流程图；图2是本专利技术中产生多个角动量涡旋波束的示意图；图3是本专利技术实施例1中反射型超表面阵面的相移分布示意图；图4是本专利技术中反射型超表面方形贴片单元产生的相移与边长变化的关系曲线；图5是本专利技术实施例1中反射型超表面拓扑结构示意图；图6是本专利技术实施例1中产生的轨道角动量涡旋波束。图7是本专利技术实施例2中反射型超表面阵面的相移分布示意图；图8是本专利技术实施例2中反射型超表面拓扑结构示意图；图9是本专利技术实施例2中产生的轨道角动量涡旋波束；图10是本专利技术实施例3中反射型超表面阵面的相移分布示意图；图11是本专利技术实施例3中反射型超表面拓扑结构示意图；图12是本专利技术实施例3中产生的轨道角动量涡旋波束。图13是本专利技术实施例1中电磁超表面结构的远场三维辐射方向图；图14是本专利技术实施例2中电磁超表面结构的远场三维辐射方向图；图15是本专利技术实施例3中电磁超表面结构的远场三维辐射方向图；具体实施方式下面结合附图对本专利技术实施例及效果做进一步详述：参照图1，本专利技术产生轨道角动量涡旋波束的方法，给出如下实施例：实施例1：产生不同方向辐射模态数均为1的轨道角动量涡旋波束。步骤1，选定几何位置关系。1a)设定参数:参照图2，取喇叭1天线的中心相对位置米，即x轴的0处，y轴的0处，z轴的0.4米处；设定产生两个角动量波束，其中第一个角动量波束辐射方向设定为第二个角动量波束辐射方向设定为电磁超表面反射单元的总行数M＝20，总列数N＝20，相邻两个电磁超表面反射单元中心间距D＝25毫米，介质基板22的尺寸为0.5×0.5×0.001米，电磁超表面反射单元21的尺寸为25×25毫米；金属背板3与介质基板22的距离d＝2毫米。1b)根据设定参数，计算第m行第n列磁超表面反射单元的相对位置r→mn=(xmn,ymn)=(2m-12D-M2D,2n-12D-N2D),]]>其中m＝1,2,…,20，n＝1,2,…,20。步骤2，计算每个电磁超表面反射单元所需的补偿相位2a)给定本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种产生轨道角动量涡旋多波束的方法，包括：1)选定几何位置关系：选定馈源(1)的中心相对位置波束指向每个电磁超表面反射单元的第m行第n列中心相对位置和直角坐标下的坐标(xmn,ymn)，其中θk是第k个波束与z轴正向的夹角，是第k个波束在xoy面上的极坐标方位角；2)计算补偿相位矩阵：给定工作频率f和轨道角动量本征模态lk，计算每个电磁超表面反射单元所需的补偿相位其中表示中间变量，m＝1,2,…,M，n＝1,2,…,N，M和N分别是电磁超表面反射单元的总行数和总列数，λ为电磁波的工作波长，为第m行第n列的电磁超表面反射单元的补偿相位，i是复数中的虚数单位；3)设计电磁超表面和相移网络：根据相移网络所需补偿相位选取M×N个不同尺寸的方形金属贴片作为相移单元，即不同尺寸的金属贴片补偿相位与相移网络所需相移量一一对应,并将这些方形金属贴片印制到介质基板上形成电磁超表面(2)；将金属背板(3)放置于电磁超表面的背面，同时兼作接地板，进而构成相移网络(4)。4)产生多个轨道角动量涡旋波束：将馈源(1)放置在电磁超表面(2)的中心轴向处，使馈源(1)产生的入射波经过相移网络(4)反射，得到补偿相位，该补偿相位与馈源发出的入射波相位相加，产生朝着不同方向辐射的多个轨道角动量涡旋波束:其中A是电场幅值,表示波束在前进方向上呈现为涡旋波阵面，体现为在传播方向上观察具有exp(ilkΦk)的螺旋相位因子。...

【技术特征摘要】
1.一种产生轨道角动量涡旋多波束的方法，包括：
1)选定几何位置关系：
选定馈源(1)的中心相对位置波束指向每个电磁超表面反射单元的第
m行第n列中心相对位置和直角坐标下的坐标(xmn,ymn)，其中θk是第k个波束与z轴正
向的夹角，是第k个波束在xoy面上的极坐标方位角；
2)计算补偿相位矩阵：
给定工作频率f和轨道角动量本征模态lk，计算每个电磁超表面反射单元所需的补偿相
位其中表示中间变量，
m＝1,2,…,M，n＝1,2,…,N，M和N分别是电磁超表面反射单元的总行数和总列数，λ为
电磁波的工作波长，为第m行第n列的电磁超表面反射单元的补偿相位，i是复数中的
虚数单位；
3)设计电磁超表面和相移网络：
根据相移网络所需补偿相位选取M×N个不同尺寸的方形金属贴片作为相移单元，
即不同尺寸的金属贴片补偿相位与相移网络所需相移量一一对应,并将这些方形金属贴
片印制到介质基板上形成电磁超表面(2)；
将金属背板(3)放置于电磁超表面的背面，同时兼作接地板，进而构成相移网络(4)。
4)产生多个轨道角动量涡旋波束：
将馈源(1)放置在电磁超表...

【专利技术属性】
技术研发人员：李龙，余世星，石光明，刘海霞，朱诚，史琰，周潇潇，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61