CN108664694B - 一种圆极化涡旋电磁波产生方法 - Google Patents

Abstract

一种圆极化涡旋电磁波产生方法，包括步骤如下：(1)设置参数；(2)计算馈源到反射阵表面的空间相位延迟分布；(3)计算反射阵表面的期望相位分布，使得天线能够辐射沿着

方向的涡旋电磁波；(4)计算反射阵单元的旋转角度分布；(5)根据反射阵单元的旋转角度，建立反射阵面的全波仿真模型；(6)对反射阵全波仿真模型进行数值计算，计算得到反射阵的幅度方向图和相位方向图全波仿真结果。本发明有效解决了现有圆极化涡旋电磁波产生装置结构复杂、加工难度大与转化效率低的问题，可用作圆极化OAM通信系统的发射天线或接收天线，可以提高通信容量。

Description

一种圆极化涡旋电磁波产生方法

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种圆极化涡旋电磁波产生方法。

背景技术

随着极化复用、正交频分复用、码分多址和同频双工等各种复用技术日趋成熟，如何进一步提高频谱利用率和编码效率成为当今无线通信领域的一个研究热点。轨道角动量可以为无线电复用技术提供一个新的复用维度。理论上，单个频率的电磁波具有无穷多个OAM模态，每个模态都可以独立传输信息，实现所谓的“态分复用”。OAM通信系统的信道具有无穷多个维度，因此可以增加无线电通信、光通信以及量子通信的信道容量，具有容量大和保密性强等优点，并且能够用于超分辨率成像等多种用途。人们正在研究在通信系统中使用轨道角动量来提高频谱效率和系统容量的方法。

目前，涡旋电磁波的产生方式主要有：相控阵天线、透射式螺旋相位板、螺旋状反射面与时间调制阵列等。相控阵天线需要使用移相器来独立控制每个天线单元的辐射相位，时间调制阵列天线需要使用高速开关来严格控制每个天线单元的通断，因此这两种阵列天线的系统构成都较为复杂，不适用于民用通信领域。透射式螺旋相位板和螺旋状反射面天线需要将相位板(或反射面)划分为若干个具有不同高度差的蝶形扇面，因此加工实现难度较大。微带反射阵天线具备反射面天线结构简单的优点，同时还具备相控阵天线独立相位控制的优点。此外，微带反射阵天线可以利用PCB技术加工实现，因此加工成本低廉、装配简单。

发明内容

本发明所解决的技术问题是：克服目前基于相控阵体制与反射面天线的圆极化涡旋电磁波产生装置结构复杂、加工难度大与转化效率低的问题，本发明提供了一种圆极化涡旋电磁波产生方法，系统简单，可以产生指向期望方向、具有期望模态数的涡旋电磁波，从而降低了圆极化涡旋电磁波产生装置的结构复杂度与加工难度。

本发明所采用的技术方案是：一种圆极化涡旋电磁波产生方法，包括步骤如下：

(1)以反射阵阵面为中心建立直角坐标系oxyz，设置工作频率f、阵列单元行数M、阵列单元列数N、单元行间距d_x、单元列间距d_y、期望的轨道角动量模态L、馈源位置坐标(x_f，y_f，z_f)、期望波束的辐射方向

M、N均为正整数；θ_d为期望波束的方向与+z轴的夹角，

为期望波束的方向在xoy平面上的投影向量与+x轴的夹角；

(2)计算馈源到反射阵表面的空间相位延迟分布；

(3)计算反射阵表面的期望相位分布，使得天线能够辐射沿着

方向的涡旋电磁波；

(4)计算反射阵单元的旋转角度分布；

(5)根据反射阵单元的旋转角度，以单元的几何中心作为旋转中心点对反射单元进行旋转，保证馈源天线的相位中心与指定位置重合，建立反射阵面的全波仿真模型；

(6)对反射阵全波仿真模型进行数值计算，计算得到反射阵的幅度方向图和相位方向图全波仿真结果。

所述步骤(2)的具体步骤如下：

设第(m,n)个反射阵单元的坐标为(x_mn,y_mn,z_mn)，以反射阵面中心点为参考相位0，利用射线追踪法得到从馈源相位中心到第(m,n)个反射阵单元处的入射空间相位

其中，k为自由空间中电磁波的波数，k＝2π/λ；m＝1,2,3,...,M、n＝1,2,3,...,N；λ为自由波长。

所述步骤(3)中，第(m,n)个反射阵单元的期望相位phase_d_mn的表达式为：

其中，φ_mn为第(m,n)个反射阵单元的方位角。

所述步骤(4)中，第(m,n)个反射阵单元的几何旋转角度α_mn的计算公式如下：

其中，-90°≤α_mn<90°。

所述反射阵面包括若干尺寸相同、旋转角度不同的圆极化反射阵单元，圆极化反射阵单元为利用印刷电路板技术刻蚀在双层覆铜介质基板上的“工”字形金属条带。

所述馈源采用圆极化角锥喇叭天线或圆极化微带天线。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明方法中，圆极化角锥喇叭馈源天线采用空间馈电方式对圆极化反射单元进行照射，从而在反射阵面上激励起辐射电流，因此不需要额外的馈电网络与合成网络。本发明方法具有原理简单、成本低、结构紧凑、热损耗小、应用方便等特点，非常适用于大口径、高增益阵列天线。

(2)本发明方法中，通过调整圆极化反射单元的旋转角度来调整其反射相位，从而产生期望指向的期望模态涡旋电磁波，因此不需要传统的微波移相器。这种相位控制方式具有结构简单、控制精度高的优点，适用于大口径阵列，具有明显的实用性。

(3)本发明方法中，馈源采用单偏置结构，可以根据期望波束指向灵活地调整馈源天线的空间位置以降低馈源遮挡效应的影响，从而提高口径利用率与涡旋电磁波转化效率。

(4)本发明方法中，所有反射单元的几何尺寸相同，仅仅具有不同的旋转角度，这极大地降低了反射单元的设计难度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2(a)、(b)为反射阵单元的结构图；

图3为反射阵单元的反射系数仿真结果图；

图4为反射阵单元的轴比仿真结果图；

图5为本发明圆极化涡旋电磁波产生方法的流程图；

图6为实施例一馈源到反射阵表面的空间相位延迟分布图；

图7为实施例一反射阵表面的期望相位分布图；

图8为实施例一反射阵单元的旋转角度分布图；

图9为实施例一反射阵面全波仿真模型图；

图10(a)为实施例一反射阵的幅度方向图3-D显示图；

图10(b)为实施例一反射阵的幅度方向俯视图；

图11为实施例一反射阵的相位方向图；

图12为实施例二馈源到反射阵表面的空间相位延迟分布图；

图13为实施例二反射阵表面的期望相位分布图；

图14为实施例二反射阵单元的旋转角度分布图；

图15为实施例二反射阵面全波仿真模型图；

图16(a)为实施例二反射阵的幅度方向图3-D显示图；

图16(b)为实施例二反射阵的幅度方向图俯视图；

图17为实施例二反射阵的相位方向图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

如图5所示，为圆极化涡旋电磁波产生方法的流程图。一种圆极化涡旋电磁波产生方法，包括步骤如下：

步骤1、设置输入条件

设定工作频率为f，则自由波长为λ＝c/f。如图1所示，微带反射阵的反射单元按照M×N的矩形栅格阵列，选取微带反射阵的几何中心为坐标原点，令微带反射阵位于xoy面内。微带反射阵单元沿着x轴的单元间距为d_x，沿着y轴的单元间距为d_y，设馈源的相位中心坐标为(x_f,y_f,z_f)。其中，M、N均为正整数；d_x、d_y、x_f、y_f、z_f均为实数，且d_x<λ，d_y<λ。c为自由空间中的光速。

第(m,n)个反射阵单元的坐标可以表示为(x_mn,y_mn,z_mn)，则该坐标可以分别表示为

其中，m取为[1，M]区间内的整数，n取为[1，N]区间内的整数。

反射阵天线的馈电方式一般分为正馈或偏馈两种形式。其中，|x_f|+|y_f|＝0表示馈源的馈电方式为正馈；|x_f|+|y_f|≠0表示馈源的馈电方式为偏馈。

步骤2、计算馈源到反射阵表面的空间相位延迟

从馈源相位中心到第(m,n)个反射阵单元处的入射相位，可以利用射线追踪法得到(以反射阵面中心点为参考相位0)

其中，k为自由空间中电磁波的波数，k＝2π/λ。

步骤3、计算反射阵表面的期望相位

在球坐标系下，第(m,n)单元的方位角为

φ_mn＝angle(x_mn+jy_mn) (3)

其中，angle(·)为相角函数，可以计算复数的相角。

设需要产生的圆极化涡旋电磁波的轨道角动量的本征模态为整数L，则第(m,n)单元的期望相位phase_d_mn的表达式为

phase_d_mn＝Lφ_mn (4)

此时，该期望相位对应沿着θ＝0°方向的涡旋电磁波。不失一般性，若要求天线能够辐射沿着

方向的涡旋电磁波，那么需要对每个天线单元添加附加相移，此时第(m,n)单元的期望相位phase_d_mn的表达式为

其中，

为期望涡旋电磁波的辐射方向。公式(4)为公式(5)的特例。

步骤4、计算反射阵单元的旋转角度

则，第(m,n)单元的补偿相位为期望相位与空间相位之差可以表示为

phase_c_mn＝phase_d_mn-phase_i_mn (6)

每个反射阵单元采用不同旋转角度的“工”字金属条带结构，“工”字反射单元的结构如图2(a)、(b)所示，其具体尺寸见表1所示。利用HFSS仿真软件中的周期边界条件和Floquet端口对反射单元的性能进行仿真，得到反射阵单元对两个正交线极化波的反射系数和反射相位。图3为反射阵单元对左旋圆极化波和右旋圆极化波的反射系数，图4为反射电磁波的轴比随频率变化曲线。

表1为反射阵单元的结构尺寸(单位：毫米)

dx	dy	L<sub>1</sub>	L<sub>2</sub>	W	h	ε<sub>r</sub>
							10	10	5	5	1	4	2.55

根据单元相位校正技术的基本原理，通过对特定的反射阵单元进行几何旋转，就可以相应地控制圆极化反射波的反射相移，且圆极化反射波的相移量为单元旋转角度的2倍。值得注意，第(m,n)单元的几何旋转的旋转中心点是该单元的几何中心(x_mn,y_mn,z_mn)。

假设，第(m,n)单元的补偿相位为phase_c_mn，几何旋转角度为α_mn，则反射单元的几何旋转角度为

α_mn＝phase_c_mn/2 (7)

在本发明中涡旋电磁波产生装置的关键参数为特定反射阵单元的旋转角度，综合上述算式，第(m,n)单元的几何旋转角度为

其中，-90°≤α_mn<90°。

步骤5、根据反射阵单元的旋转角度，建立反射阵面的全波仿真模型；

根据公式(8)计算的反射阵单元旋转角度，以单元的几何中心作为旋转中心点对单元进行旋转，保证馈源天线的相位中心与指定位置重合。

步骤6、计算得到反射阵的幅度方向图和相位方向图全波仿真结果；

利用高频电磁仿真软件对反射阵全波仿真模型进行数值计算，得到反射阵辐射的幅度方向图与相位方向图。

实施例一：馈源正馈，期望产生沿法线方向模态数L＝-2的涡旋波束

第一步：设置输入条件

(1)频率f＝9GHz；

(2)馈源位置(x_f，y_f，z_f)＝(0，0，233mm)；

(3)阵列参数M＝N＝25、d_x＝d_y＝10mm；

(4)轨道角动量模态L＝-2；

(5)主辐射方向

第二步：计算馈源到反射阵表面的空间相位延迟分布,如图6所示。

第三步：计算反射阵表面的期望相位分布,如图7所示。由于期望模态数L＝-2，因此沿着方位方向相位呈现两个变化周期，与预期相同。

第四步：计算反射阵单元的旋转角度分布,如图8所示。期望波束沿着法线方向，反射阵单元的期望相位沿着方位方向呈现两个周期变化，因此旋转角度分布也呈现两个周期变化。

第五步：根据反射阵单元的旋转角度，建立反射阵面的全波仿真模型,如图9所示。

第六步：反射阵的幅度方向图和相位方向图全波仿真结果,如图10(a)、图10(b)与图11所示。图10(a)、图10(b)中反射阵的幅度方向图为典型的涡旋波束幅度方向图，在法线方向形成零辐射，符合设计预期。图11中反射阵的相位方向图呈现螺旋状，且沿着方位方向具有两个变化周期，符合设计预期。

实施例二：馈源偏馈，期望产生沿

方向模态数L＝1的涡旋波束

第一步：设置输入条件

(1)频率f＝9GHz；

(2)馈源位置(x_f，y_f，z_f)＝(0,0,233mm)；

(3)阵列参数M＝N＝25、d_x＝d_y＝10mm；

(4)轨道角动量模态L＝1；

(5)主辐射方向

第二步：计算馈源到反射阵表面的空间相位延迟分布,如图12所示。

第三步：计算反射阵表面的期望相位分布,如图13所示。由于期望模态数L＝1，因此沿着方位方向相位呈现两个变化周期，与预期相同。

第四步：计算反射阵单元的旋转角度分布,如图14所示。期望波束沿着法线方向，反射阵单元的期望相位沿着方位方向呈现一个周期变化，因此旋转角度分布也呈现一个周期变化。

第五步：根据反射阵单元的旋转角度，建立反射阵面的全波仿真模型,如图15所示。

第六步：反射阵的幅度方向图和相位方向图全波仿真结果,如图16(a)、图16(b)与图17所示。图16(a)、图16(b)中反射阵的幅度方向图为典型的涡旋波束幅度方向图，在

方向形成零辐射，符合设计预期。图11中反射阵的相位方向图呈现螺旋状，且沿着方位方向具有一个变化周期，符合设计预期。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (3)

1.一种圆极化涡旋电磁波产生方法，其特征在于，包括步骤如下：

(1)以反射阵阵面为中心建立直角坐标系oxyz，设置工作频率f、阵列单元行数M、阵列单元列数N、单元行间距d_x、单元列间距d_y、期望的轨道角动量模态L、馈源位置坐标(x_f，y_f，z_f)、期望波束的辐射方向

M、N均为正整数；θ_d为期望波束的方向与+z轴的夹角，/>

为期望波束的方向在xoy平面上的投影向量与+x轴的夹角；

(2)计算馈源到反射阵表面的空间相位延迟分布；

(3)计算反射阵表面的期望相位分布，使得天线能够辐射沿着

方向的涡旋电磁波；

(4)计算反射阵单元的旋转角度分布；

(5)根据反射阵单元的旋转角度，以单元的几何中心作为旋转中心点对反射单元进行旋转，保证馈源天线的相位中心与指定位置重合，建立反射阵面的全波仿真模型；

(6)对反射阵全波仿真模型进行数值计算，计算得到反射阵的幅度方向图和相位方向图全波仿真结果；

所述步骤(2)的具体步骤如下：

设第(m,n)个反射阵单元的坐标为(x_mn,y_mn,z_mn)，以反射阵面中心点为参考相位0，利用射线追踪法得到从馈源相位中心到第(m,n)个反射阵单元处的入射空间相位

其中，k为自由空间中电磁波的波数，k＝2π/λ；m＝1,2,3,...,M、n＝1,2,3,...,N；λ为自由波长；

所述步骤(3)中，第(m,n)个反射阵单元的期望相位phase_d_mn的表达式为：

其中，φ_mn为第(m,n)个反射阵单元的方位角；

在球坐标系下，第(m,n)单元的方位角为φ_mn＝angle(x_mn+jy_mn)；

其中，angle(·)为相角函数；

所述步骤(4)中，第(m,n)个反射阵单元的几何旋转角度α_mn的计算公式如下：

其中，-90°≤α_mn＜90°。

2.根据权利要求1所述的一种圆极化涡旋电磁波产生方法，其特征在于：所述反射阵面包括若干尺寸相同、旋转角度不同的圆极化反射阵单元，圆极化反射阵单元为利用印刷电路板技术刻蚀在双层覆铜介质基板上的“工”字形金属条带。

3.根据权利要求1所述的圆极化涡旋电磁波产生方法，其特征在于：所述馈源采用圆极化角锥喇叭天线或圆极化微带天线。

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