CN108987939A - 一种涡旋电磁波的汇聚装置、无线通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于数字信息传输技术领域，公开了一种涡旋电磁波的汇聚装置、无线通信系统，微波透镜为由多个圆形结构层叠而成，圆形结构由位于中心的部分基础单元和多个圆形弧组成；圆形弧结构由多个基础单元组成，各层中相同位置的基础单元的圆柱半径自上而下依次递减，同一层中基础单元的圆柱半径自里向外依次递减，且同一层中同一圆形弧结构里的基础单元的圆柱半径相同；馈源中心位于透镜的中心轴线处。本发明与现有技术相比，将涡旋电磁波的产生与汇聚进行了有效分离，可以对现有的已经产生的能量发散涡旋电磁波进行有效作用。本发明中微波透镜采用3D打印技术制成，设计简单，价格低廉，与现有技术相比，能大大降低工业制造成本。

Description

一种涡旋电磁波的汇聚装置、无线通信系统

技术领域

本发明属于数字信息传输技术领域，尤其涉及一种涡旋电磁波的汇聚装置、无线通信系统。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：涡旋电磁波因其独特的性质广泛应用于多个领域，但在通信领域的应用还在起步阶段。2011年6月24日，Bo Thide教授研究团队在意大利威尼斯的泻湖展开了一个引人注目的实验，证明利用电磁波的轨道角动量即通过扭曲电磁波，可大幅提升无线通信的容量。在通常情况下，同一频率只能传输一路信息。而在此，他们通过对电磁波的不同轨道角动量进行编码，即使在现实环境中，也可实现同一频率(实际上是一个频带)传输多路信息，这就有可能大幅度提升现有的无线通信容量(带宽)。理论上，即使在不使用偏振或密集编码技术的情况下，这项新的无线通信技术也可在某一固定频带范围内实现无限多的信道传输，这对解决日益突出的无线通信频谱拥挤问题提供了一个全新的解决思路。国内外对涡旋电磁波的关注主要集中在涡旋电磁波的产生、轨道角动量(Orbital Angular Monment，OAM)信道模型以及轨道角动量信号接收技术上。但整个轨道角动量电磁波波束呈现中空的倒锥形，波束具有发散性，且随着传输距离的增大，环形波束的半径越来越大，同时出现能量的扩散现象，降低了天线波束的增益效果。为解决此问题，现有方法是基于一些新型材料设计透镜来实现汇聚的涡旋电磁波。如中国专利，申请公开号为CN 105826692 A，名称为“基于超表面产生具有汇聚效果的涡旋波束的透镜及方法”，公开了一种基于超表面产生具有汇聚效果的涡旋波束的透镜及方法，该发明所设计的透镜包括m×n个相位突变单元，每个相位突变单元均包括基板和位于基板表面的金属层，金属层包括两部分，一部分为位于基板中央的正方形金属层，另一部分为包围正方形金属层的矩形金框，金属框一组对边的中央设有缺口，通过改变金属层的参数，使电磁波在传输过程中获得不同的相位突变量，从而当圆极化波垂直入射到该透镜，透射的交叉极化波即为具有汇聚效果的涡旋波束。一方面，这种方法虽然得到了汇聚的涡旋电磁波，但是通过圆极化的电磁波直接得到了汇聚的涡旋电磁波，对于已经产生的能量发散的涡旋电磁波没有作用。另一方面，这个设计中采用了电磁超表面结构，但由于电磁超材料单元必须采用金属谐振单元结构，导致电磁超表面结构只能有效工作在金属谐振单元的谐振频率附近，有效工作频率范围较窄。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)通过圆极化的电磁波直接得到了汇聚的涡旋电磁波，对于已经产生的能量发散的涡旋电磁波没有作用，当发射端采用一定口径的天线向外辐射涡旋电磁波时，在接收完整电磁涡旋信息的前提下，由于能量发散角的存在，接收天线的规模将随着传输距离的增加而不断增大，从而使得利用OAM特征模态进行远距离复用通信变得不切实际。

(2)采用了电磁超表面结构，由于电磁超材料单元必须采用金属谐振单元结构，导致电磁超表面结构只能有效工作在金属谐振单元的谐振频率附近，有效工作频率范围较窄。

解决上述技术问题的难度和意义：现有方法产生的涡旋电磁波具有不同的发散角度，因此在进行结构设计时，要对不同发散程度、不同频率的涡旋电磁波均可达到汇聚的目的。汇聚以后的涡旋电磁波能量更为集中，可传输的更远。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种涡旋电磁波的汇聚装置、无线通信系统。

本发明是这样实现的，一种涡旋电磁波的汇聚装置，所述涡旋电磁波的汇聚装置、无线通信系统包括微波透镜、馈源；

馈源的中心位于微波透镜的中心轴线；馈源产生涡旋电磁波；

微波透镜为由多个圆形结构层叠而成，圆形结构由位于中心的部分基础单元和多个圆形弧组成；圆形弧结构由多个基础单元组成，每个基础单元由三个相互垂直的圆柱体构成；各层中相同位置的基础单元的圆柱半径自上而下依次递减，同一层中基础单元的圆柱半径自里向外依次递减，且同一层中同一圆形弧结构里的基础单元的圆柱半径相同聚。

进一步，所述微波透镜采用3D打印的圆柱体结构，圆柱体结构由n个圆形结构层叠而成，n≥2；所述圆形结构由位于圆形中心的l个第二基础单元和k个从里到外依次排布圆形弧结构组成，l≥2，k≥2，每个圆形弧结构包括p个第一基础单元，p≥2，其组成圆形弧结构的第一基础单元采用由三个相互垂直的圆柱体组成的立体结构；所述第二基础单元，采用沿第一基础单元中的三个圆柱中任一圆柱轴线切割而成的楔形立体结构，其l个第二基础单元组合成圆形结构。

进一步，所述微波透镜各层中相同位置的基础单元的圆柱半径自上而下依次递减，同一层中的基础单元的圆柱半径自里向外依次递减，且同一层中同一圆形弧结构里的基础单元的圆柱半径相同；第一基础单元和第二基础单元采用全电介质材料。

进一步，所述微波透镜由n个圆形结构层叠而成，各层圆形结构的中心位于同一轴线上。

进一步，所述微波透镜各基础单元中的圆柱高度相同。

进一步，所述圆形弧结构，其包括的第一基础单元的个数为p，p计算公式为：

其中i为圆形弧结构由里到外的编号，i＝1,2,…,k。

进一步，所述第一基础单元的立体结构，是以原点为中心，以x轴、y轴和z轴为轴线的三个圆柱体构成，以y轴为轴线的圆柱向圆形结构的圆心弯曲，用于实现与相邻的基础单元平滑连接。

进一步，所述第二基础单元的立体结构，是以z轴为轴线，yoz平面为中心面，在中心面两侧等角度对第一基础单元进行纵向切割而成，楔形立体结构的楔形角度与其第二基础单元的个数l有关，l个第二基础单元可组合成圆形结构。

本发明的另一目的在于提供一种使用所述涡旋电磁波的汇聚装置的无线通信系统。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明中微波透镜由多个圆形结构层叠而成，每个圆形结构由多个基础单元组成，基础单元采用的是全电介质材料，每个单元由三个相互垂直的圆柱体组成，通过改变组成基础单元圆柱体的半径大小，改变等效单元中介质体与空气的比例，从而获得不同的等效介电常数数值，由于基础单元结构不会发生共振，可在较宽的频率范围内汇聚涡旋电磁波，与现有技术相比，有效地拓宽了工作频率范围。本发明是对某段频率内的涡旋电磁波的汇聚效果，与现有技术相比，将涡旋电磁波的产生与汇聚进行了有效分离，可以对现有的已经产生的能量发散涡旋电磁波进行有效作用。本发明中微波透镜采用3D打印技术制成，设计简单，价格低廉，与现有技术相比，能大大降低工业制造成本。现有技术所设计的透镜在9.9GHz-10.4GHz的频带范围内，其工作效率会超过20％，而在其他频率，工作效率小于20％，工作频率范围较窄。本发明对频率在6GHz-14GHz的涡旋电磁波均可以产生汇聚效果。

附图说明

图1是本发明实施例提供的涡旋电磁波的汇聚装置结构示意图；

图2是本发明实施例提供的用于产生涡旋电磁波的天线结构示意图；

图3是本发明中组成微波透镜的圆形结构的结构示意图；

图4是本发明中组成微波透镜的第一基础单元的结构示意图；

图5是本发明中组成微波透镜的第二基础单元的结构示意图；

图6是本发明中微波透镜设计从虚拟空间到物理空间的空间转换示意图；

图7是本发明在中心频率为10GHz，工作频率分别为6GHz、8GHz、10GHz、12GHz、14GHz时未经过微波透镜时和经过微波透镜以后的涡旋电磁波的相位分布图；

图8是本发明在中心频率为10GHz，工作频率分别为6GHz、8GHz、10GHz、12GHz、14GHz时未经过微波透镜时和经过微波透镜以后的涡旋电磁波在xoy面和xoz面的电场幅值分布图；

图9是本发明在中心频率为10GHz，工作频率分别为6GHz、8GHz、10GHz、12GHz、14GHz时涡旋电磁波未经过微波透镜时和经过微波透镜后的三维方向图和二维方向图；

图中：1、微波透镜；11、圆形结构；111、第一基础单元；112、第二基础单元；2、馈源。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出了一种涡旋电磁波的汇聚装置，解决现有技术中存在的不能汇聚能量发散的涡旋电磁波以及有效工作频率范围较窄的技术问题。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的涡旋电磁波的汇聚装置包括：微波透镜1、馈源2，所述馈源2，其结构如图2所示，使用该结构可产生频率为10GHz的涡旋电磁波，它的中心位于微波透镜1的中心轴线处，其中心相对位置与透镜中心的距离为40mm，微波透镜1采用3D打印的圆柱体结构，圆柱体结构由12个圆形结构11层叠而成，各层圆形结构11的中心位于同一轴线上。

所述圆形结构11，其结构如图3所示，由位于圆形中心的8个第二基础单元112和17个从里到外依次排布圆形弧结构组成，每个圆形弧结构包括p个第一基础单元111，其中i为圆形弧结构由里到外的编号，i＝1，2，…，17。

其组成圆形弧结构的第一基础单元111，其结构如图4所示，是以原点为中心，以x轴、y轴和z轴为轴线的三个圆柱体构成，各圆柱体高度均为4mm，以y轴为轴线的圆柱向圆形结构11的圆心弯曲，用于实现与相邻的基础单元平滑连接。

第二基础单元112，其结构如图5所示，采用沿第一基础单元111中的三个圆柱中任一圆柱轴线切割而成的楔形立体结构，是以z轴为轴线，yoz平面为中心面，在中心面两侧等角度对第一基础单元111进行纵向切割而成，该楔形立体结构的楔形角度为45°，8个第二基础单元112可拼合组成圆形结构。

所述微波透镜1，其各层中相同位置的基础单元的圆柱半径自上而下依次递减，同一层中的基础单元的圆柱半径自里向外依次递减，且同一层中同一圆形弧结构里的基础单元的圆柱半径相同，通过改变基础单元的圆柱半径大小，可改变等效单元中介质体与空气的比例，从而获得不同的等效介电常数数值，改变了电磁波的传播路径，获得了不同的补偿相位。根据本发明要实现的汇聚效果，使用MATLAB仿真计算在10GHz频率下的每个基础单元所需补偿相位值以及不同补偿相位对应的圆柱半径值。由此所设计的透镜，即满足要求。

本发明基于变换光学理论的设计，为了确定从虚拟空间到物理空间的转换，本发明提出了一个基于空间转换概念的设计，其变换关系如图6(a)和6(b)所示。物理和虚拟空间坐标分别用(x,y)和(x',y')表示。坐标A和A'，B和B'，C和C'，D和D'分别共享相同的位置，使得线段BC和B'C'等于W。线段AB和线段CD共享相同的位置，长度假定为H，BC与AB和CD垂直。AE与AD之间的角度被认为是θ。因此，线段AE和DE的长度为W/2cosθ。线段AB被转换成线段A'B'，而线段BC被转换成线段B'C'。类似地，线段CD被转换为线段C'D'。因此，定义为A'B'C'D'的矩形物理空间是从充满空气的虚拟空间ABCDE映射而来的。

所设计的模型是基于变换光学理论，通过求解拉普拉斯方程来实现。为了在虚拟空间外边界的场中建立等价关系，在微波透镜的边缘设置Neumann-Dirichlet滑动边界条件如下式所示：

其中是法线向量的边界的表面。考虑到激励的极化，中间介质的特性可以进一步简化为：

其中μ为磁导率，xⁱ，x^i′分别为光学变换前后的坐标位置。

每个第一基础单元111与其所在的5mm*5mm*5mm的正方体区域内其余空气部分形成一个等效单元，参照图4。根据上述理论计算得出的该区域内的等效介电常数。通过改变基础单元圆柱的半径大小，可调节等效单元中介质体与空气的比例，以控制等效介电常数数值。

选取不同尺寸的11176个第一基础单元和88个第二基础单元，与微波透镜相应位置上介电常数一一对应。

下面结合仿真对本发明的应用效果做详细的描述。

1.仿真条件和内容

利用商业仿真软件HFSS_15.0，对中心频率为f＝10GHz的本发明进行仿真计算。

在工作频率为6GHz、8GHz、10GHz、12GHz、14GHz时对本发明实施例进行仿真计算。

2.仿真结果分析

图7(a)～图7(e)是本发明在工作频率为6GHz、8GHz、10GHz、12GHz、14GHz时未经过微波透镜时涡旋电磁波的相位分布图，图7(f)～图7(j)是在工作频率为6GHz、8GHz、10GHz、12GHz、14GHz时经过微波透镜以后的涡旋电磁波的相位分布图，颜色深浅代表每一处涡旋电磁波的相位大小，经过微波透镜后的涡旋电磁波相位特性优于未经过微波透镜的。

图8(a)～图8(e)是本发明在工作频率为6GHz、8GHz、10GHz、12GHz、14GHz时未经过微波透镜时涡旋电磁波在xoy面的电场幅值分布图，图8(f)～图8(j)是本发明在工作频率为6GHz、8GHz、10GHz、12GHz、14GHz时未经过微波透镜时涡旋电磁波在xoz面的电场幅值分布图，图8(k)～图8(o)是本发明在工作频率为6GHz、8GHz、10GHz、12GHz、14GHz时经过微波透镜后涡旋电磁波在xoy面的电场幅值分布图，图8(p)～图8(t)是本发明在工作频率为6GHz、8GHz、10GHz、12GHz、14GHz时经过微波透镜后涡旋电磁波在xoz面的电场幅值分布图，颜色深浅代表了每一点电场幅值的大小，经过微波透镜后的涡旋电磁波电场能量更集中。

图9(a，d，g，j，m)是本发明在工作频率为6GHz、8GHz、10GHz、12GHz、14GHz时未经过微波透镜时的三维方向图，图9(b，e，h，k，n)是经过微波透镜以后的涡旋电磁波的三维方向图，图9(c，f，i，l，o)是未经过微波透镜时和经过微波透镜以后的涡旋电磁波的二维方向图，通过方向图，本发明看到经过微波透镜后的涡旋电磁波半功率波束宽度更窄。以上仿真结果说明，本发明可实现涡旋电磁波的汇聚，而且可工作在较宽的频率范围。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种涡旋电磁波的汇聚装置，其特征在于，所述涡旋电磁波的汇聚装置、无线通信系统包括微波透镜、馈源；

馈源的中心位于微波透镜的中心轴线；馈源产生涡旋电磁波；

微波透镜为由多个圆形结构层叠而成，圆形结构由位于中心的部分基础单元和多个圆形弧组成；圆形弧结构由多个基础单元组成，每个基础单元由三个相互垂直的圆柱体构成；各层中相同位置的基础单元的圆柱半径自上而下依次递减，同一层中基础单元的圆柱半径自里向外依次递减，且同一层中同一圆形弧结构里的基础单元的圆柱半径相同。

2.如权利要求1所述的涡旋电磁波的汇聚装置，其特征在于，所述微波透镜采用3D打印的圆柱体结构，圆柱体结构由n个圆形结构层叠而成，n≥2；所述圆形结构由位于圆形中心的l个第二基础单元和k个从里到外依次排布圆形弧结构组成，l≥2，k≥2，每个圆形弧结构包括p个第一基础单元，p≥2，其组成圆形弧结构的第一基础单元采用由三个相互垂直的圆柱体组成的立体结构；所述第二基础单元，采用沿第一基础单元中的三个圆柱中任一圆柱轴线切割而成的楔形立体结构，其l个第二基础单元组合成圆形结构。

3.如权利要求1所述的涡旋电磁波的汇聚装置，其特征在于，所述微波透镜各层中相同位置的基础单元的圆柱半径自上而下依次递减，同一层中的基础单元的圆柱半径自里向外依次递减，且同一层中同一圆形弧结构里的基础单元的圆柱半径相同；第一基础单元和第二基础单元采用全电介质材料。

4.如权利要求1所述的涡旋电磁波的汇聚装置，其特征在于，所述微波透镜由n个圆形结构层叠而成，各层圆形结构的中心位于同一轴线上。

5.如权利要求1所述的涡旋电磁波的汇聚装置，其特征在于，所述微波透镜各基础单元中的圆柱高度相同。

6.如权利要求1所述的涡旋电磁波的汇聚装置，其特征在于，所述圆形弧结构，其包括的第一基础单元的个数为p，p计算公式为：

其中i为圆形弧结构由里到外的编号，i＝1,2,…,k。

7.如权利要求2所述的涡旋电磁波的汇聚装置，其特征在于，所述第一基础单元的立体结构，是以原点为中心，以x轴、y轴和z轴为轴线的三个圆柱体构成，以y轴为轴线的圆柱向圆形结构的圆心弯曲，用于实现与相邻的基础单元平滑连接。

8.如权利要求2所述的涡旋电磁波的汇聚装置，其特征在于，所述第二基础单元的立体结构，是以z轴为轴线，yoz平面为中心面，在中心面两侧等角度对第一基础单元进行纵向切割而成，楔形立体结构的楔形角度与其第二基础单元的个数l有关，l个第二基础单元可组合成圆形结构。

9.一种使用权利要求1～8任意一项所述涡旋电磁波的汇聚装置的无线通信系统。