CN107528626B - 一种毫米波和太赫兹轨道角动量波束产生和转换方法 - Google Patents

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Abstract

一种毫米波和太赫兹轨道角动量波束产生和转换方法，该方法采用赋形螺旋相位反射器作为毫米波和太赫兹轨道角动量波束产生和转换器件，步骤如下：(1)确定转换前后毫米波或太赫兹波频段的波束参数；(2)采用赋形方法计算待赋形的螺旋相位反射器表面分布点阵M；(3)根据点阵M建立待赋形的螺旋相位反射器表面模型及实体模型；(4)根据螺旋相位反射器实体模型进行加工、高精度表面处理或蒸渡反射膜；(5)对获得的螺旋相位反射器进行测试。本发明通过使用赋形螺旋相位反射器，实现不同拓扑荷的轨道角动量波束之间的高效率高质量转换，为毫米波和太赫兹频段轨道角动量通信复用等应用技术提供一个新的轨道角动量产生和转换途径。

Description

一种毫米波和太赫兹轨道角动量波束产生和转换方法
技术领域
本发明涉及毫米波和太赫兹轨道角动量波束产生和转换方法，属于毫米波和太赫兹技术领域，特别涉及毫米波和太赫兹频段轨道角动量通信复用技术。
背景技术
随着科技信息技术的发展及航空航天技术的进步，人们对信息量的需求也越来越大，各领域都对信息传输速率提出了越来越高的要求。然而目前的高速无线通信的发展相比高速有线传输，水平滞后很多，传统的微波通信受物理带宽的限制，数据传输速率一直在Gbps以下徘徊，不能满足未来应用需求。最近几年，随着射频通信频率向毫米波和太赫兹(THz)频段提高，无线通信带宽得到较大扩展，出现一系列数据传输速率达1Gbps～10Gbps的高速无线通信研究成果，无线传输速率落后的面貌获得改观。但是，单一通过加载大宽带信号来提高通信速率的方法对毫米波和太赫兹信号的调制、解调和处理都带来了极大的挑战。其实，S.Koenig等人报道的高达100Gbit/s的太赫兹通信系统就已采用了高阶调制和频分复用的方法，见S.Koenig,D.Lopez-Diaz,J.Antes,et al.Wireless sub-THzcommunication system with high data rate.Nature Photonics,7(12)，977-981,2013。未来，对太赫兹通信信道复用方法的研究显得愈加重要。而目前在微波频段和光学频段受到广泛关注的轨道角动量通信复用方法在传统频分和极化复用基础上进行更多通道的同频复用，通信容量提升效果显著，将其应用到毫米波和太赫兹频段，将极大地促进无线通信速率的提升，未来应用潜力巨大。
光学轨道角动量由Allen等在1992年发现，又称光学涡旋，其具有螺旋状的截面相位结构
Figure BDA0001393276990000011
其中
Figure BDA0001393276990000012
为方位角，l为量子化的拓扑荷，可用来表征轨道角动量的本征态。不同l的轨道角动量波束是互相独立的，可以沿着同一条轴线传播，并能够以很低的信道串扰进行分离。因此，相同频率的N个轨道角动量波束可以同轴传输N路信号，从而使通信容量和频率使用效率提升N倍，其中N为大于1的整数。由于不同l的波束互相正交，并可取任意整数，从理论上可以做到无限复用，见L.Allen,M.W.Beijersbergen,R.J.C.Spreeuw,etal.Orbital angular momentum of light and the transformation of Laguerre–Gaussian laser modes.Physics Review A,45(11),8185–8189,1992。利用轨道角动量复用方法，2012年，J.Wang等报道了自由空间1.55um波段的高达Tbit/s的轨道角动量通信实验研究，并于近期将其提升到100Tbit/s，见J.Wang,J.Y.Yang,I.M.Fazal1,et al.Terabitfree-space data transmission employing orbital angular momentummultiplexing.Nature Photonics,6(7),488-496,2012；2014年，Yan Yan等人则该方法拓展到微波频段，实现了28GHz频段的高达24Gbit/s通信实验验证，见Y.Yan,G.Xie,M.P.J.Lavery,et al.High-capacity millimetre-wave communications with orbitalangular momentum multiplexing,Nature Communications,5,4876,2014。介于这两个频段之间的太赫兹频段(0.1-10THz)，也获得了初步研究，见L.Zhu,X.Wei,J.Wang,etal.Experimental Demonstration of Basic Functionalities for0.1-THz OrbitalAngular Momentum(OAM)Communications,Optical Fiber CommunicationConference.Optical Society of America,M3K-7,2014。毫米波和太赫兹频段波长因具有带宽宽、波束相对窄、沙尘烟雾穿透能力强和系统轻小的优点，在未来高速无线通信领域具有巨大的应用潜力。相对于微波频段短，毫米波和太赫兹频段转换器件尺寸相对较小，波束窄，而且目前所能达到的微米量级的机械加工精度可以满足器件加工要求，因此，毫米波和太赫兹频段更适合采用轨道角动量通信复用技术。
轨道角动量波束产生和转换方法是轨道角动量通信复用技术的核心，目前在不同频段采用的方法不同，在光学频段主要有螺旋相位波板法、模式变换法、计算全息法和空间光调制器法，在微波频段有螺旋相位波板法、阵列天线法和阶跃反射面法，而在毫米波和太赫兹频段所报道的主要是螺旋相位波板。上述方法中，除了阵列天线法和阶梯状反射面法，其它方法均为介质透射式器件，存在介质表面多次反射、干涉和吸收等效应，会给轨道角动量通信复用过程带来一定的信道串扰和功率损耗，影响该方法的通信容量提升效能。而毫米波和太赫兹频段的空间光调制器和阵列天线设计和加工难度较大，阶梯状反射面法虽然设计和加工简单，但也因其表面粗糙性和简单性并不能高品质高效率地产生和转换特定拓扑荷的轨道角动量波束。
发明内容
本发明所解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提出一种毫米波和太赫兹轨道角动量波束产生和转换方法，基于赋形螺旋相位反射面，采用的是波束反射方式，而且反射面表面经过赋形设计是连续过渡的，表面反射率高，使得在毫米波和太赫兹轨道角动量波束产生和转换过程中不存在多个介质表面间的多次反射和介质吸收，因此波束转换效率和质量更高，有效降低轨道角动量产生和转换器件本身带来的功率损耗和信道串扰。
本发明所采用的技术方案是：一种毫米波和太赫兹轨道角动量波束产生和转换方法，包括步骤如下：
(1)确定转换前后毫米波或太赫兹波频段的波束参数，波束参数包括载波波长、转换前后的拓扑荷差值Δl和波束的波前参数；
(2)采用赋形方法计算待赋形的螺旋相位反射器表面分布点阵M；
(3)根据步骤(2)中获得的点阵M建立待赋形的螺旋相位反射器表面模型及螺旋相位反射器实体模型；
(4)根据步骤(3)中建立的螺旋相位反射器实体模型进行加工、高精度表面处理或蒸渡反射膜，保证螺旋相位反射器表面的反射率满足波束转换效率的要求；
(5)对步骤(4)获得的螺旋相位反射器进行测试，确定螺旋相位反射器的实际波束转换性能参数。
所述步骤(2)的具体步骤如下：
2.1、从步骤(1)中提取转换前波束波前点阵S和转换后波束波前点阵T；
2.2、根据反射定律
Figure BDA0001393276990000031
和等光程条件
Figure BDA0001393276990000041
Figure BDA0001393276990000042
和点阵M中点(xM,yM,zM)的关系以及边界条件建立的方程组，获得待赋形的螺旋相位反射器表面分布点阵；
其中，
Figure BDA0001393276990000043
表示点(xs,ys,zs)到点(xM,yM,zM)的向量，
Figure BDA0001393276990000044
表示点(xM,yM,zM)到点(xT,yT,zT)的向量，点(xs,ys,zs)为点阵S中任意一点，点(xT,yT,zT)为点(xs,ys,zs)在点阵T中的对应点，点(xM,yM,zM)为点(xs,ys,zs)在点阵M中的对应点；
Figure BDA0001393276990000045
为点(xM,yM,zM)处的法向量；点阵S、点阵T、点阵M在同一个笛卡尔坐标系中；L为转换前波束方位角
Figure BDA0001393276990000046
时的光程，λ为载波波长。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明针对降低轨道角动量复用过程中功率损耗和信道串扰问题，采用赋形螺旋相位反射器作为轨道角动量产生和转换器件，该方法不存在介质功率吸收和介质表面间多次反射干涉问题，轨道角动量产生和变换效率更高，信道串扰降低，从而有效地降低轨道角动量通信复用过程的功率损耗和信道串扰等不利因素；
(2)本发明所采用的是赋形设计后的反射型器件，能够精确控制波前相位变化，准确产生和转换波束；
(3)本发明可以实现波束整形和轨道角动量转换一体设计和应用，能够应用于大多数波束参数下的轨道角动量产生和转换，具有普适性。
附图说明
图1是赋形螺旋相位反射器设计和制备流程示意图；
图2是赋形螺旋相位反射器使用形式1示意图；
图3是赋形螺旋相位反射器使用形式2示意图；
图4是赋形螺旋相位反射器使用形式3示意图；
图5是赋形螺旋相位反射器使用形式4示意图。
具体实施方式
下面根据附图和实施例对本发明进行进一步说明：
赋形螺旋相位反射器是基于该器件的毫米波和太赫兹轨道角动量通信复用中的核心器件，在通信复用过程中，第i路信道的毫米波和太赫兹场可近似表示为：
Ei(t)＝Si(t)A0(r,t)
经过轨道角动量转换器转换后为
Figure BDA0001393276990000051
其中，Ai(r,t)为拓扑荷为0的电磁波振幅，Si(t)为调制信号，Fi(r,t)和
Figure BDA0001393276990000052
分别为轨道角动量转换器件对波束波前振幅的调制转换函数和转换后的振幅强度分布，
Figure BDA0001393276990000053
表示带有拓扑荷数为li的轨道角动量转换器件对波前相位的调制。对于相位转换器件，一般有
Figure BDA0001393276990000054
i和j为均为1到复用通道总数N之间的正整数，表示其中的某个发射或接收通道，N为大于1的整数，r为球坐标，t为时间。
N路信号合成后为：
Figure BDA0001393276990000055
波束再经过拓扑荷为-lj的轨道角动量转换器后，电磁波电场可近似表示为
Figure BDA0001393276990000056
其中
Figure BDA0001393276990000057
为波束转换后的电磁波振幅。
由于拓扑荷数不为0的波束汇聚后为环形幅度分布，只有拓扑荷数为0的波束才能汇聚于一点，被信号接收机接收，所以在接收通道中插入lj＝-li的轨道角动量转化器，使得li-lj＝0，即可实现将带有轨道角动量拓扑荷数为li的信道从N个信道中分离出来。上述过程和极化、频率无关，可实现同频信道的复用和解复用。
上述原理中，不管是复用中的轨道角动量波束产生还是解复用中的轨道角动量波束分离，都需要波束经过赋形螺旋相位反射器后要在波前上产生
Figure BDA0001393276990000058
的相位延迟，其中Δl为波束转换前后拓扑荷差值，为整数。通过对反射器表面上进行赋形设计，使得反射器表面形成波长量级的螺旋相位结构特征，当毫米波或太赫兹波束通过一定角度入射到反射器上时，不同方位角的相位将受到赋形螺旋相位反射器的连续的相位调节，最终使得波前上产生
Figure BDA0001393276990000068
的相位延迟。
所述的赋形螺旋相位反射器通过以下五个步骤实现：
1)从使用形式中确定转换前后波束参数：根据使用形式确定转换前后毫米波和太赫兹波频段的波束参数，包括载波波长、转换前后的拓扑荷差值Δl和波束的波前参数；Δl为整数；
2)采用赋形方法计算反射器表面分布：
2.1、从步骤(1)中提取转换前波束波前点阵S和转换后波束波前点阵T；
2.2、根据反射定律
Figure BDA0001393276990000061
和等光程条件
Figure BDA0001393276990000062
Figure BDA0001393276990000063
和点阵M中点(xM,yM,zM)的关系以及边界条件建立的方程组，获得待赋形的螺旋相位反射器表面分布点阵；
其中，
Figure BDA0001393276990000064
表示点(xs,ys,zs)到点(xM,yM,zM)的向量，
Figure BDA0001393276990000065
表示点(xM,yM,zM)到点(xT,yT,zT)的向量，点(xs,ys,zs)为点阵S中任意一点，点(xT,yT,zT)为点(xs,ys,zs)在点阵T中的对应点，点(xM,yM,zM)为点(xs,ys,zs)在点阵M中的对应点；
Figure BDA0001393276990000066
为点(xM,yM,zM)处的法向量；点阵S、点阵T、点阵M在同一个笛卡尔坐标系中；L为转换前波束方位角
Figure BDA0001393276990000067
时的光程，λ为载波波长。
3)面形及器件结构设计：对步骤2获得的点阵M(xM,yM,zM)进行处理，形成表面特征，并进行实体化形成螺旋相位反射器结构；
4)表面加工和处理：选择合适的基材，对步骤3设计的螺旋相位反射器结构进行加工、高精度表面处理或蒸渡反射膜，保证表面的高反射性满足波束转换效率的要求；
5)螺旋相位反射器测试：对步骤4获得的螺旋相位反射器进行测试，确定螺旋相位反射器的实际波束转换性能参数。
赋形螺旋相位反射器的使用包含4种使用形式：
使用形式1直接采用平面型赋形螺旋相位反射器1对波束进行轨道角动量产生或转换，平面型赋形螺旋相位反射器1的特征为平面上带有波长量级的螺旋形起伏面形结构，如图2所示，其只具备波束轨道角动量的产生和转换功能；
使用形式2包含整形器件2和平面型螺旋相位波板1，整形器件2将任意波束，特别是喇叭天线发射的具有一定发射角的波束进行准直或其它整形处理，然后采用平面型赋形螺旋相位反射器1进行轨道角动量产生或转换，平面型赋形螺旋相位反射器1特征为平面上带有波长量级的螺旋形起伏面形，如图3所示，整形器件2和平面型赋形螺旋相位波板3摆放位置不分先后；
使用形式3为曲面型赋形螺旋相位反射器3，在赋形设计时同时进行波束整形和轨道角动量产生或转换，器件特征为曲面上带有波长量级的螺旋形起伏面形，如图4所示；
使用形式4包含整形器件2和曲面型赋形螺旋相位反射器3，整形器件2将波束整形成特定波束，曲面型赋形螺旋相位反射器3根据入射和出射波束参数再进行波束整形，并同时进行轨道角动量产生或转换，器件特征为曲面上带有波长量级的螺旋形起伏面形，如图5所示，整形器件2和曲面型赋形螺旋相位反射器3摆放位置不分前后。
以上各种使用形式中，入射和出射赋形螺旋相位反射器的波束传播方向夹角推荐选择为90度，但不局限为该角度。
以上4种使用形式在本发明的方法步骤1)中对应不同的转换前后波束参数。下面针对形式1，给出具体的实施例。
实施例1：
本发明提出一种毫米波和太赫兹轨道角动量波束产生和转换方法，该方法基于赋形螺旋相位反射面，采用波束反射方式实现波束的轨道角动量产生和转换，如图1所示为本发明的处理流程框图，以使用形式1为例，具体实施步骤如下：
1)根据使用形式1，假设载波波长为λ＝1mm，转换前后的轨道角动量拓扑荷差值Δl＝1，入射波束为平面波，波前位于xS0＝-200mm，波束中心轴线为x轴，出射波束为轨道角动量拓扑荷为1，波束中心轴线为z轴，方位角
Figure BDA0001393276990000081
时的光程L＝400mm；
2)根据步骤1，先假设入射波束波前点阵S上一点为
Figure BDA0001393276990000082
在由该点出射的电磁波经过平面型赋形螺旋相位反射器表面上的点(xM,yM,zM)反射后，经过光程为L＝400mm的光程传输到达点(xT,yT,zT)，rS0和
Figure BDA0001393276990000083
分别为该点到x轴距离和偏离y轴的方位角。
入射和反射波矢向量分别为：
Figure BDA0001393276990000084
Figure BDA0001393276990000085
点(xM,yM,zM)处法向量为
Figure BDA0001393276990000086
有：
Figure BDA0001393276990000087
Figure BDA0001393276990000088
Figure BDA0001393276990000089
其中，dxM、dyM和dzM可由点(xM,yM,zM)及周围点差值得到。
根据反射定律和等光程条件有：
Figure BDA00013932769900000810
Figure BDA00013932769900000811
Figure BDA00013932769900000812
出射波束满足轨道角动量波束条件，即:
Figure BDA00013932769900000813
xMTxM+yMTyM＝0
其中，
Figure BDA00013932769900000814
α为
Figure BDA00013932769900000815
与z轴夹角；
上述方程中，rS0和
Figure BDA00013932769900000816
分别在0～50λ和0～2π之间分别取500和400个值，求解上述方程，可得点阵M。
3)对点阵M进行数据处理，导入到PRO-E软件，进行实体化形成螺旋相位反射器结构；
4)将PRO-E产生的三维结构导入到3D打印机，打印出相应结构的螺旋相位反射器，然后在螺旋相位反射器表面镀金属膜，保证表面反射率大于95％；
5)对螺旋相位反射器进行测试，确定螺旋相位反射器的波束转换性能参数。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (2)

1.一种毫米波和太赫兹轨道角动量波束产生和转换方法，其特征在于，采用赋形螺旋相位反射器作为毫米波和太赫兹轨道角动量波束产生和转换器件，
赋形螺旋相位反射器的使用包含4种使用形式：
使用形式1：直接采用平面型赋形螺旋相位反射器(1)对波束进行轨道角动量产生或转换，平面型赋形螺旋相位反射器(1)为平面上带有波长量级的螺旋形起伏面形结构，其只具备波束轨道角动量的产生和转换功能；
使用形式2：包含整形器件(2)和平面型螺旋相位波板(1)，整形器件(2)对任意波束进行准直或其它整形处理，然后采用平面型赋形螺旋相位反射器(1)进行轨道角动量产生或转换，平面型赋形螺旋相位反射器(1)为平面上带有波长量级的螺旋形起伏面形；
使用形式3：采用曲面型赋形螺旋相位反射器(3)，在赋形设计时同时进行波束整形和轨道角动量产生或转换，曲面型赋形螺旋相位反射器(3)为曲面上带有波长量级的螺旋形起伏面形；
使用形式4：包含整形器件(2)和曲面型赋形螺旋相位反射器(3)，整形器件(2)将波束整形成特定波束，曲面型赋形螺旋相位反射器(3)根据入射和出射波束参数再进行波束整形，并同时进行轨道角动量产生或转换，曲面型赋形螺旋相位反射器(3)为曲面上带有波长量级的螺旋形起伏面形；
其中，赋形螺旋相位反射器通过以下步骤实现：
(1)确定转换前后毫米波或太赫兹波频段的波束参数，波束参数包括载波波长、转换前后的拓扑荷差值Δl和波束的波前参数；
(2)采用赋形方法计算待赋形的螺旋相位反射器表面分布点阵M；
(3)根据步骤(2)中获得的点阵M建立待赋形的螺旋相位反射器表面模型及螺旋相位反射器实体模型；
(4)根据步骤(3)中建立的螺旋相位反射器实体模型进行加工、高精度表面处理或蒸渡反射膜，保证螺旋相位反射器表面的反射率满足波束转换效率的要求；
(5)对步骤(4)获得的螺旋相位反射器进行测试，确定螺旋相位反射器的实际波束转换性能参数。
2.根据权利要求1所述的一种毫米波和太赫兹轨道角动量波束产生和转换方法，其特征在于，所述步骤(2)的具体步骤如下：
2.1、从步骤(1)中提取转换前波束波前点阵S和转换后波束波前点阵T；
2.2、根据反射定律
Figure FDA0002481004640000021
Figure FDA0002481004640000022
和等光程条件
Figure FDA0002481004640000023
Figure FDA0002481004640000024
和点阵M中点(xM,yM,zM)的关系以及边界条件建立的方程组，获得待赋形的螺旋相位反射器表面分布点阵；
其中，
Figure FDA0002481004640000025
表示点(xs,ys,zs)到点(xM,yM,zM)的向量，
Figure FDA0002481004640000026
表示点(xM,yM,zM)到点(xT,yT,zT)的向量，点(xs,ys,zs)为点阵S中任意一点，点(xT,yT,zT)为点(xs,ys,zs)在点阵T中的对应点，点(xM,yM,zM)为点(xs,ys,zs)在点阵M中的对应点；
Figure FDA0002481004640000027
为点(xM,yM,zM)处的法向量；点阵S、点阵T、点阵M在同一个笛卡尔坐标系中；L为转换前波束方位角
Figure FDA0002481004640000028
时的光程，λ为载波波长。
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