CN105552556A - 轨道角动量涡旋波束产生装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轨道角动量涡旋波束产生装置及方法。其技术方案是：由M行N列的电磁超表面反射单元(31)和介质基板(32)构成电磁超表面结构(3)，由电磁超表面结构(3)和金属背板(2)组成相移网络(4)，金属背板(2)位于电磁超表面结构(3)的背面，同时兼作接地板。将馈源(1)放置在电磁超表面结构(3)的中心轴向处，由馈源(1)发出的入射波照射到电磁超表面结构上，当入射波得到电磁超表面结构提供的补偿相位后，再经相移网络(4)反射，产生本征模态为l的轨道角动量涡旋波束(5)。本发明解决了现有技术结构复杂、成本高、波束发散和效率低的问题，可用于通信技术中信息的发射和接收，有利于扩大通信容量。

Description

轨道角动量涡旋波束产生装置及方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，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，作为不同模态轨道角动量电磁涡旋波束传输的发射和接收装置。

背景技术

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。由于透射型旋转相位板不利于远距离传输，螺旋抛物面的不稳定性强、不易于制作，阵列天线的馈电相移网络复杂的缺陷，使得这些装置在产生轨道涡旋波束时复用结构复杂、波束发散且效率低，不能满足实际通信中的要求。

发明内容

本发明根据电磁超材料和天线赋形波束理论，提出了一种轨道角动量涡旋波束产生装置及方法，以解决上述现有技术结构复杂、波束发散和效率低的问题，满足扩大通信容量的要求。

为实现上述目的，本发明轨道角动量波束产生装置，包括馈源和相移网络，馈源产生的入射波经过相移网络反射，得到补偿相位，该补偿相位与馈源发出的入射波相位相加，实现反射电磁波波前相位的螺旋分布特性，其特征在于：

相移网络(4)由电磁超表面结构(3)和金属背板(2)组成，该金属背板位于电磁超表面结构的背面，同时兼作接地板；

电磁超表面结构(3)由M×N个周期相同的电磁超表面反射单元(31)和介质基板(32)构成，M,N≥2l，l是轨道角动量本征模态数，取值为整数；

馈源(1)位于电磁超表面结构的中心轴向方向，使馈源发出的电磁波束经过相移网络反射后，产生涡旋电磁波束(5)，得到每个电磁超表面反射单元的补偿相位为：

其中m＝1,2,…,M，n＝1,2,…,N，和分别是第m行第n列电磁超表面反射单元中心相对位置和馈源中心相对位置，为反射电磁波的主波束方向，是第m行第n列电磁超表面反射单元中心在极坐标下的方位角度值，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。

为实现上述目的，本发明产生轨道角动量涡旋波束的方法，包括如下步骤：

(1)选定馈源中心相对位置主波束指向每个电磁超表面反射单元的中心相对位置和极坐标下的方位角度值

(2)给定工作频率f和轨道角动量本征模态l，计算每个电磁超表面反射单元所需的补偿相位

其中m＝1,2,…,M，n＝1,2,…,N，和分别是第m行第n列电磁超表面反射单元中心相对位置和馈源中心相对位置，为反射电磁波的主波束方向，是第m行第n列电磁超表面反射单元中心在极坐标下的方位角度值，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；

(3)选取M×N个周期相同的电磁超表面反射单元与每个补偿相位一一对应,并将它们印制到介质基板上，形成电磁超表面结构；

(4)将馈源放置在电磁超表面结构的中心轴向处，由馈源发出的入射波照射到电磁超表面结构上，当入射波得到电磁超表面结构提供的补偿相位后，再经相移网络反射，产生本征模态为l的轨道角动量涡旋波束。

本发明具有以下优点：

1)本发明装置由于没有复杂的馈电网络，与传统的阵列天线装置相比，降低了结构设计的复杂性；

2)本发明装置中的电磁超表面反射单元采用介质损耗很小的三平行振子结构，提高了装置的辐射效率；

3)本发明装置中电磁超表面反射单元的相位可独立调整，设计自由度大，有利于得到精确的轨道角动量涡旋波束；

4)本发明利用轨道角动量波束的能量奇点，将馈源放置在电磁超表面结构的中心轴向处，既不影响能量的传播，又简化了装置的设计。

5)本发明装置与已有的装置相比，占用空间小，质量轻，便于折叠、收藏和展开。

附图说明

图1是本发明系统的结构示意图；

图2是本发明系统的流程图；

图3是本发明实施例1中所有电磁超表面反射单元的相移分布示意图；

图4是本发明实施例1中产生的l＝1的轨道角动量涡旋波束；

图5是本发明实施例2中所有电磁超表面反射单元的相移分布示意图；

图6是本发明实施例2中产生的l＝2的轨道角动量涡旋波束；

图7是本发明实施例1中距离电磁超表面结构法向200个波长处电场相位分布图；

图8是理论的l＝1的轨道角动量电场相位曲线；

图9是本发明实施例2中距离电磁超表面结构法向200个波长处电场相位分布图；

图10是理论的l＝2的轨道角动量电场相位曲线；

图11是本发明实施例1中电磁超表面结构的远场三维辐射方向图；

图12是理论的l＝1的轨道角动量涡旋波束辐射图；

图13是本发明实施例2中电磁超表面结构的远场三维辐射方向图；

图14是理论的l＝2的轨道角动量涡旋波束辐射图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详述：

参照图1，本发明装置包括馈源1、金属背板2、电磁超表面结构3、相移网络4和涡旋电磁波束5。

馈源1，采用喇叭天线或微带天线或八木天线，本实例采用喇叭天线，并将其放置在电磁超表面结构3的中心轴向方向；

金属背板2同时兼作接地板，位于电磁超表面结构3的背面，与介质基板32的尺寸相同，与介质基板32的间距为d，其中d≤λ，金属背板2与电磁超表面结构3一起构成相移网络4；

电磁超表面结构3由M×N个周期相同的电磁超表面反射单元31和介质基板32构成，M,N≥2l，l是轨道角动量本征模态，取值为整数，两个相邻电磁超表面反射单元31中心的间距为D，根据公式 ${\stackrel{\→}{r}}_{mn}=(\frac{2m-1}{2}D-\frac{M}{2}D,\frac{2n-1}{2}D-\frac{N}{2}D),$ 其中m＝1,2,…,M；n＝1,2,…,N，可计算出第m行第n列电磁超表面反射单元中心相对位置根据公式可计算出第m行第n列电磁超表面反射单元中心在极坐标下的方位角度值

计算每个电磁超表面反射单元所需的补偿相位

其中m＝1,2,…,M，n＝1,2,…,N，和分别是第m行第n列电磁超表面反射单元中心相对位置和馈源中心相对位置，为反射电磁波的主波束方向，是第m行第n列电磁超表面反射单元中心在极坐标下的方位角度值，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。

每个电磁超表面反射单元31采用不同尺寸的三平行振子结构。

参照图2，本发明产生轨道角动量涡旋波束的方法，给出如下两个实施例：

实施例1：产生本证模态l＝1的轨道角动量涡旋波束。

步骤1，设定参数。

取喇叭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；主波束指向米，即x轴的0处，y轴的0处，z轴的1米处；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，介质基板的尺寸为0.5×0.5×0.001米，电磁超表面反射单元的尺寸为25×25毫米，金属背板与介质基板的间距d＝5毫米；

步骤2，根据设定参数，计算磁超表面反射单元的相对位置和方位角度值

2.1)计算出第m行第n列电磁超表面反射单元中心的相对位置

${\stackrel{\→}{r}}_{mn}=(\frac{2m-1}{2}D-\frac{M}{2}D,\frac{2n-1}{2}D-\frac{N}{2}D),$ 其中m＝1,2,…,20，n＝1,2,…,20；

2.2)计算出第m行第n列电磁超表面反射单元中心在极坐标下的方位角度值

步骤3，计算每个电磁超表面反射单元所需的补偿相位

给定喇叭天线的工作频率f为5.8GHz，取l＝1，计算每个电磁超表面反射单元所需的补偿相位为：

其中为第m行第n列的电磁超表面反射单元的补偿相位，λ为电磁波的工作波长， $\mathrm{\λ}=\frac{2\mathrm{\π}}{f}=51.72$ 毫米， ${\stackrel{\→}{r}}_f=(0,0,0.4)$ 米， ${\hat{u}}_0=(0,0,1)$ 米。

步骤4，绘制所有电磁超表面反射单元的相位分布图。

根据第m行第n列补偿相位的值，绘制所有电磁超表面反射单元的相位分布图，如图3所示，图3中的横坐标是每个电磁超表面反射单元在x轴上的位置，纵坐标是每个电磁超表面反射单元在y轴上的位置，颜色深浅代表每个电磁超表面反射单元提供的补偿相位的大小。

步骤5，构成电磁超表面结构。

5.1)选取20×20个周期相同的电磁超表面反射单元与每个补偿相位一一对应，每个电磁超表面反射单元采用不同尺寸的三平行振子结构，其具体尺寸根据每个补偿相位确定，具体选取见LiLong等在IEEEAntennasandWirelessPropagationLetters，《Novelbroadbandplanarreflectarraywithparasiticdipolesforwirelesscommunicationapplications》中提到的寄生阵子反射阵设计方法；

5.2)将这20×20个电磁超表面反射单元印制到介质基板上，形成电磁超表面结构；

步骤6，产生l＝1的轨道角动量涡旋波束。

将喇叭天线放在电磁超表面结构的中心轴向处，由喇叭天线发出的入射波照射到电磁超表面结构上，当入射波得到电磁超表面结构提供的补偿相位后，再经相移网络反射，则可得到l＝1的轨道角动量涡旋波束，如图4所示。

实施例2：产生l'＝2的轨道角动量涡旋波束。

步骤一，设定参数。

取八木天线的中心相对位置米，即x轴的0处，y轴的0处，z轴的0.3米处；主波束指向米，即x轴的0处，y轴的0处，z轴的1米处；总行数M'＝22，总列数N'＝22，相邻两个电磁超表面反射单元中心间距D'＝25毫米，介质基板的尺寸为0.55×0.55×0.001米，电磁超表面反射单元的尺寸为25×25毫米，金属背板与介质基板的间距d'＝10毫米。

步骤二，根据设定参数，计算磁超表面反射单元的相对位置和和方位方位角度值

2.1)计算出第m'行第n'列电磁超表面反射单元中心的相对位置

${\stackrel{\→}{r}}_{m^{\′}{n}^{\′}}=(\frac{2m^{\′}-1}{2}{D}^{\′}-\frac{M^{\′}}{2}{D}^{\′},\frac{2n^{\′}-1}{2}{D}^{\′}-\frac{N^{\′}}{2}{D}^{\′}),$ 其中m'＝1,2,…,22，n'＝1,2,…,22；

2.2)计算出第m'行第n'列电磁超表面反射单元中心在极坐标下的方位角度值

步骤三，计算每个电磁超表面反射单元所需的补偿相位

给定八木天线的工作频率f'为5.8GHz，取l'＝2，计算每个电磁超表面反射单元所需的补偿相位为：

其中为第m'行第n'列的电磁超表面反射单元的补偿相位，λ'为电磁波的工作波长， ${\mathrm{\λ}}^{\′}=\frac{2\mathrm{\π}}{f^{\′}}=51.72$ 毫米， ${\stackrel{\→}{r}}_f^{\′}=(0,0,0.3)$ 米， ${\hat{u}}_0^{\′}=(0,0,1)$ 米。

步骤四，绘制所有电磁超表面反射单元的相位分布图。

根据第m'行第n'列补偿相位的值，绘制所有电磁超表面反射单元的相位分布图，如图5所示，图5中的横坐标是每个电磁超表面反射单元在x轴上的位置，纵坐标是每个电磁超表面反射单元在y轴上的位置，颜色深浅代表每个电磁超表面反射单元提供的补偿相位的大小。

步骤五，构成电磁超表面结构。

5.1)选取22×22个周期相同的电磁超表面反射单元与每个补偿相位一一对应，每个电磁超表面反射单元采用不同尺寸的三平行振子结构，其具体尺寸设计与实施例的步骤5相同；

5.2)将这22×22个电磁超表面反射单元印制到介质基板上，形成电磁超表面结构；

步骤六，产生l'＝2的轨道角动量涡旋波束。

将八木天线放在电磁超表面结构的中心轴向处，由八木天线发出的入射波照射到电磁超表面结构上，当入射波得到电磁超表面结构提供的补偿相位后，再经相移网络反射，则可得到l'＝2的轨道角动量涡旋波束，如图6所示。

本发明效果可通过以下仿真进一步说明：

仿真1，利用AnsysHFSS软件，对本发明实施例1中距离电磁超表面结构法向200个波长处的电场相位进行仿真，得到电场相位图，如图7所示；

图7中，电场相位曲线是1条逆时针旋转的曲线，与图8所示的理论的l＝1的轨道角动量电场相位曲线一致。

仿真2，利用AnsysHFSS软件，对本发明实施例2中距离电磁超表面结构法向200个波长处的电场相位进行仿真，得到电场相位图，如图9所示；

图9中，电场相位曲线是2条逆时针旋转的曲线，与图10所示的理论的l＝2的轨道角动量电场相位曲线一致。

图7和图9表明，本发明方法可有效产生多模态的轨道角动量涡旋波。

仿真3，利用AnsysHFSS软件，对本发明实施例1中电磁超表面结构的远场辐射特性进行仿真，得到远场辐射方向图，如图11所示；

图11中，轨道角动量涡旋波束为中间凹陷的高增益波，与图12所示的理论的l＝1的轨道角动量涡旋波束辐射图一致。

仿真4，利用AnsysHFSS软件，对本发明实施例2中电磁超表面结构的远场辐射特性进行仿真，得到远场辐射方向图，如图13所示；

图13中，轨道角动量涡旋波束为中间凹陷的高增益波，与图14所示的理论的l＝2的轨道角动量涡旋波束辐射图一致。

图11和图13表明，本发明方法可有效产生高增益的轨道角动量涡旋波。

Claims (6)

1.一种轨道角动量涡旋波束产生装置，包括馈源(1)和相移网络(4)，馈源产生的入射波经过相移网络反射，得到补偿相位，该补偿相位与馈源发出的入射波相位相加，实现反射电磁波波前相位exp(ilφ)的螺旋分布特性，其特征在于：

相移网络(4)由电磁超表面结构(3)和金属背板(2)组成，该金属背板位于电磁超表面结构的背面，同时兼作接地板；

电磁超表面结构(3)由M×N个周期相同的电磁超表面反射单元(31)和介质基板(32)构成，M,N≥2l，l是轨道角动量本征模态数，取值为整数；

馈源(1)位于电磁超表面结构的中心轴向方向，使馈源发出的电磁波束经过相移网络反射后，产生涡旋电磁波束(5)，得到每个电磁超表面反射单元的补偿相位为：

其中m＝1,2,…,M…，M，，n＝1,2,…,N…，N，和分别是第m行第n列电磁超表面反射单元中心相对位置和馈源中心相对位置，为反射电磁波的主波束方向，是第m行第n列电磁超表面反射单元中心在极坐标下的方位角度值，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。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于电磁超表面结构(3)采用化学腐蚀和光刻技术，M×N个周期相同的电磁超表面反射单元(31)印制在介质基板(32)上。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于馈源(1)采用喇叭天线或微带天线或八木天线。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于每个电磁超表面反射单元(31)采用不同尺寸的三平行振子结构。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于金属背板(2)的尺寸与电磁超表面结构的介质基板(32)相同，且与介质基板的间距为d，其中d≤λ。

6.一种产生轨道角动量涡旋波束的方法，包括以下步骤：

(1)选定馈源中心相对位置主波束指向每个电磁超表面反射单元的中心相对位置和极坐标下的方位角度值

(2)给定工作频率f和轨道角动量本征模态l，计算每个电磁超表面反射单元所需的补偿相位

其中m＝1,2,…,M…，M，，n＝1,2,…,N…，N，和分别是第m行第n列电磁超表面反射单元中心相对位置和馈源中心相对位置，为反射电磁波的主波束方向，是第m行第n列电磁超表面反射单元中心在极坐标下的方位角度值，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；

(3)选取M×N个周期相同的电磁超表面反射单元与每个补偿相位一一对应,并将它们印制到介质基板上，形成电磁超表面结构；

(4)将馈源放置在电磁超表面结构的中心轴向处，由馈源发出的入射波照射到电磁超表面结构上，当入射波得到电磁超表面结构提供的补偿相位后，再经相移网络反射，产生本征模态为l的轨道角动量涡旋波束。