CN109936391B - 一种基于单天线产生多模态涡旋电磁波的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于单天线产生多模态涡旋电磁波的方法，包括：利用单一天线构建进行匀速圆周运动的单天线模型；将所述单天线模型等效为圆形天线阵列；计算所述圆形天线阵列的辐射电场；根据所述圆形天线阵列的辐射电场获取所述多模态涡旋电磁波。本发明的方法能够利用单天线产生涡旋电磁波，相比于传统的平面结构产生涡旋电磁波的方法，大大减小发生机和接收机的空间尺寸，且无需复杂的移相器网络和射频控制电路，成本更低。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于单天线产生多模态涡旋电磁波的方法。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展，能给无线通信系统分配的频谱变得非常拥挤，频谱资源匮乏的问题愈发严重。电磁波属性中的振幅、频率、相位和偏振态等维度均已作为信号表征来提升传输容量，在现有基础上已无法继续采用增加电磁波表征维度的方式来扩充信道容量，只能通过频谱压缩、提高调制速率或者调制阶数等方法来进一步提高频谱效率。
轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)作为一个新的传输维度，能够在同一频带同时传输多路信息，可以有效地解决频谱资源短缺的问题另外，OAM也被应用在雷达成像领域，与传统雷达系统所使用的平面波不同，携带有OAM的涡旋电磁波的螺旋相位结构可以看作多个平面波从360度方向同时照射目标，在短时间内实现二维空间的连续采样从而实现超分辨成像。
涡旋电磁波因携带有轨道角动量，其相位波前呈现螺旋形结构，可在其上调制所需信息，增强电磁波的信息传递与获取能力。除了时域、频域和极化域等经典信息调制方式，相位波前调制与雷达探测相结合，催生了电磁涡旋成像这一新技术的诞生。在电磁涡旋成像技术中，涡旋电磁波产生是一个基础而重要的问题，不同的产生方法通常对应着不同的成像模型，辐射场质量的优劣也将直接影响目标图像的重构性能。
近年来，一些用来生成OAM波束的方法已经提出，比如使用平面相位板、螺旋相位板、螺旋状的抛物面天线、均匀圆形天线阵列。然而，平面相位板、螺旋相位板、螺旋状的抛物面天线都是通过在平面结构产生涡旋电磁波，占用较大空间，且制作成本较高；均匀圆形天线阵列需要多个各向同性的天线组合才能产生涡旋电磁波，并且每个天线阵元都需要与射频链路、移相器网络和功率分配器相连接，使得发射机和接收机的能耗大，成本高。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于单天线产生多模态涡旋电磁波的方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明提供了一种基于单天线产生多模态涡旋电磁波的方法，包括：
利用单一天线构建进行匀速圆周运动的单天线模型；
将所述单天线模型等效为圆形天线阵列；
计算所述圆形天线阵列的辐射电场；
根据所述圆形天线阵列的辐射电场获取所述多模态涡旋电磁波。
在本发明的一个实施例中，利用单一天线构建进行匀速圆周运动的单天线模型，包括：
选取单一天线；
控制所述单一天线进行半径为R、转速为ω的匀速圆周运动，形成单天线模型；
获取所述单天线模型的辐射电场。
在本发明的一个实施例中，所述单天线模型的辐射电场Fs(r,θ,φ,t)为：
其中，t为时间，r为天线远场任一点到圆周运动中心的距离，θ为空间俯仰角，
为方位角，j为虚数单位，fc为所述单一天线的中心频率，k为波数，A是所述单一天线的振幅，U(t)为周期方波信号。
在本发明的一个实施例中，在获取所述单天线模型的辐射电场之后还包括：
计算匀速运动一周的所述单天线模型的辐射电场总和：
FT(r,θ,φ,t)＝∫TFs(r,θ,φ,t)dt，
其中，T为所述单天线模型运动一周的时间。
在本发明的一个实施例中，将所述单天线模型等效为圆形天线阵列，包括：
将匀速运动一周的所述单天线模型按时间维度划分为处于不同位置的N个天线区域；
将所述N个天线区域调制为具有N个天线阵元的圆形天线阵列。
在本发明的一个实施例中，计算所述圆形天线阵列的辐射电场，包括：
将所述单天线模型的辐射电场总和等效为所述圆形天线阵列的辐射电场
其中，r为天线远场任一点到圆周运动中心的距离，θ为空间俯仰角，
为方位角，j为虚数单位，fc为所述单一天线的中心频率，k为波数，Ai为所述圆形天线阵列中的第i个天线阵元的振幅，N为所述圆形天线阵列中的天线阵元的数目，Ui(t)为周期方波信号。
在本发明的一个实施例中，所述周期方波信号Ui(t)的表达式为：
其中，T0表示所述周期方波信号Ui(t)的周期，n表示所述周期方波信号Ui(t)的脉冲数，
表示第i个天线阵元开始辐射电磁波的时间，
表示第i个天线阵元结束辐射电磁波的时间。
在本发明的一个实施例中，根据所述圆形天线阵列的辐射电场获取所述多模态涡旋电磁波，包括：
将所述圆形天线阵列的辐射电场
进行傅里叶级数展开，得到第m次谐波的辐射电场
其中，
表示第i个天线阵元开始辐射电磁波的时间，
表示第i个天线阵元结束辐射电磁波的时间，
表示第i个天线阵元在一个周期内辐射电磁波的时长；
将所述第m次谐波的辐射电场
简化，得到模态为m的所述涡旋电磁波
其中，A是所述单天线模型的振幅，j是虚数单位，fc为所述单一天线的中心频率，f0是所述周期方波信号Ui(t)的频率，k为波数，Jm()表示m阶的第一类贝塞尔函数。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明基于单天线产生多模态涡旋电磁波的方法能够利用进行圆周运动的单天线产生涡旋电磁波，故相比于传统的平面结构产生涡旋电磁波的方法，大大减小发生机和接收机的空间尺寸。
2、本发明的方法可以同时产生多个模式的涡旋电磁波，相比于传统的阵列天线产生多模涡旋电磁波的方法，不需要用到复杂的移相器网络和射频控制电路，成本更低。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于单天线产生多模态涡旋电磁波的方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的一种做圆周运动的单天线模型示意图；
图3是本发明实施例的圆形天线阵列在第1次谐波上产生的模式数为1的涡旋电磁波强度分布图；
图4是本发明实施例的圆形天线阵列在第1次谐波上产生的模式数为1的涡旋电磁波相位分布图；
图5是本发明实施例的圆形天线阵列在第2次谐波上产生的模式数为2的涡旋电磁波强度分布图；
图6是本发明实施例的圆形天线阵列在第2次谐波上产生的模式数为2的涡旋电磁波相位分布图；
图7是本发明实施例的圆形天线阵列在第3次谐波上产生的模式数为3的涡旋电磁波强度分布图；
图8是本发明实施例的圆形天线阵列在第3次谐波上产生的模式数为3的涡旋电磁波相位分布图。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种基于单天线产生多模态涡旋电磁波的方法进行详细说明。
有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种基于单天线产生多模态涡旋电磁波的方法的流程图。本实施例基于单天线产生多模态涡旋电磁波的方法包括：
S1：利用单一天线构建进行匀速圆周运动的单天线模型；
S2：将所述单天线模型等效为圆形天线阵列；
S3：计算所述圆形天线阵列的辐射电场；
S4：根据所述圆形天线阵列的辐射电场获取所述多模态涡旋电磁波。
具体地，所述S1包括：
S11：选取单一天线；
S12：控制所述单一天线进行半径为R、转速为ω的匀速圆周运动，形成单天线模型；
请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种做圆周运动的单天线模型示意图。在本实施例中，将处于辐射状态的一个天线1安装在半径为R，以转速为ω做匀速圆周运动的摇臂2上，使得所述天线1做匀速圆周运动，并且以圆形阵列的圆心为原点O建立空间坐标系，则空间中任意一点的坐标可描述为
其中，r为P点到原点O的距离，称为远场距离，θ是OP与Z轴的夹角，称为空间俯仰角，
是OP的投影与X轴的夹角，称为方位角。
S13：获取所述单天线模型的辐射电场。
所述单天线模型的辐射电场可以表达为以远场距离r、空间俯仰角θ、方位角
和时间t为变量的函数：
其中，t为时间，r为天线远场任一点到圆周运动中心的距离，即远场距离，θ为空间俯仰角，
为方位角，j为虚数单位，fc为所述单一天线的中心频率，k为波数，A是所述单一天线的振幅，U(t)为周期方波信号。
进一步地，在S13之后还包括：
S14：计算匀速运动一周的所述单天线模型的辐射电场总和：
FT(r,θ,φ,t)＝∫TFs(r,θ,φ,t)dt，
其中，T为所述单天线模型运动一周的时间，即单天线的运动周期。由于摇臂的角速度为ω，即单天线运动的角速度为ω，则单天线的运动周期T为：
进一步地，所述S2包括：
S21：将匀速运动一周的所述单天线模型按时间维度划分为处于不同位置的N个天线区域；
S22：将所述N个天线区域调制为具有N个天线阵元的圆形天线阵列。
接着，将所述单天线模型的辐射电场总和等效为所述圆形天线阵列的辐射电场
其中，r为天线远场任一点到圆周运动中心的距离，θ为空间俯仰角，
为方位角，j为虚数单位，fc为所述单一天线的中心频率，k为波数，Ai为所述圆形天线阵列中的第i个天线阵元的振幅，N为所述圆形天线阵列中的天线阵元的数目，Ui(t)为周期方波信号。
在本实施例中，所述周期方波信号Ui(t)的表达式为：
其中，T0表示所述周期方波信号Ui(t)的周期，n表示所述周期方波信号Ui(t)的脉冲数，
表示第i个天线阵元开始辐射电磁波的时间，
表示第i个天线阵元结束辐射电磁波的时间。
如上所述，通过周期方波信号U(t)的调制，把做匀速圆周运动的单天线模型在时间维度上等间隔划分为无穷多个处于空间不同位置的均匀圆形天线阵列模型
进一步地，所述S4包括：
S41：将所述圆形天线阵列的辐射电场
进行傅里叶级数展开：
其中，
为第m次谐波的辐射电场；
S42：计算得到第m次谐波的辐射电场
其中，
表示第i个天线阵元开始辐射电磁波的时间，
表示第i个天线阵元结束辐射电磁波的时间，
表示第i个天线阵元在一个周期内辐射电磁波的时长；
S43：将所述第m次谐波的辐射电场
简化，得到模态为m的所述涡旋电磁波
。
具体地，将圆周运动的单天线模型等效为时间调制的天线阵列后，每个天线单元的振幅Ai，第i个天线阵元开始辐射电磁波的时间
第i个天线阵元在一个周期内辐射电磁波的时长τi可以通过以下公式确定：
其中，A是单天线的辐射电场的振幅，N表示等效模型中的天线总数。
根据上述等式关系，可以对第m次谐波的辐射电场
的表达式进行简化，从而得到简化后的表达式：
其中，A是所述单天线模型的振幅，j是虚数单位，fc为所述单一天线的中心频率，f0是所述周期方波信号Ui(t)的频率，k为波数，Jm()表示m阶的第一类贝塞尔函数。
值得注意的是，在本实施例中，所述第m次谐波的辐射电场
可以进行简化的条件是假设所述圆形天线阵列的天线阵元数N无线趋近于+∞，即N→+∞。
根据上述方法计算出来的第m次谐波的辐射电场的简化式
的相位中包含
这一项表明第m次谐波的辐射电场是模态为m的涡旋电磁波，由于本发明的天线模型的辐射电场有无穷多次谐波电场，因此通过本发明的方法可以使均匀圆周运动的单天线产生多个模态的涡旋电磁波。
接下来，本发明方法的效果可以通过以下仿真结果进一步说明：
1.仿真条件：
取摇臂半径为0.5m，转速为2π×103弧度每秒，天线的中心频率为100×106赫兹。
2.仿真内容：
仿真1：通过本发明的方法在第1次谐波频率处产生模式数为1的涡旋电磁波。请参见图3和图4，图3是本发明实施例的圆形天线阵列在第1次谐波上产生的模式数为1的涡旋电磁波强度分布图；图4是本发明实施例的圆形天线阵列在第1次谐波上产生的模式数为1的涡旋电磁波相位分布图。图3中可以看出模式数为1的涡旋电磁波的强度呈圆环分布，且奇点在中心；图4表明沿着中心旋转一圈，涡旋电磁波的空间相位变化2π。
仿真2：通过本发明的方法在第2次谐波频率处产生模式数为2的涡旋电磁波。请参见图5和图6，图5是本发明实施例的圆形天线阵列在第2次谐波上产生的模式数为2的涡旋电磁波强度分布图；图6是本发明实施例的圆形天线阵列在第2次谐波上产生的模式数为2的涡旋电磁波相位分布图。图5中可以看出模式数为2的涡旋电磁波的强度呈圆环分布，且奇点在中心；图6表明沿着中心旋转一圈，涡旋电磁波的空间相位变化4π。
仿真3：通过本发明的方法在第3次谐波频率处产生模式数为3的涡旋电磁波。请参见图7和图8，图7是本发明实施例的圆形天线阵列在第3次谐波上产生的模式数为3的涡旋电磁波强度分布图；图8是本发明实施例的圆形天线阵列在第3次谐波上产生的模式数为3的涡旋电磁波相位分布图。图7中可以看出模式数为3的涡旋电磁波的强度呈圆环分布，且奇点在中心；图8表明沿着中心旋转一圈，涡旋电磁波的空间相位变化6π。
本发明基于单天线产生多模态涡旋电磁波的方法能够利用进行圆周运动的单天线产生涡旋电磁波，故相比于传统的平面结构产生涡旋电磁波的方法，大大减小发生机和接收机的空间尺寸。此外，本发明的方法可以同时产生多个模式的涡旋电磁波，相比于传统的阵列天线产生多模涡旋电磁波的方法，不需要用到复杂的移相器网络和射频控制电路，成本更低。
综上，涡旋电磁波是携带自旋角动量和轨道角动量的电磁波，其相位波前不再是平面，而是绕着传播方向旋转，具有扭曲的结构。因此，以电磁涡旋为载体，挖掘OAM域的雷达目标特性，可以利用OAM域的雷达测量反演目标电磁散射特性的空间分布以生成雷达图像，对于雷达探测与识别而言具有非常重要的意义。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于单天线产生多模态涡旋电磁波的方法，其特征在于，包括：
利用单一天线构建进行匀速圆周运动的单天线模型；
将所述单天线模型等效为圆形天线阵列；
计算所述圆形天线阵列的辐射电场；
根据所述圆形天线阵列的辐射电场获取所述多模态涡旋电磁波，
其中，利用单一天线构建进行匀速圆周运动的单天线模型，包括：
选取单一天线；
控制所述单一天线进行半径为R、转速为ω的匀速圆周运动，形成单天线模型；
获取所述单天线模型的辐射电场，
计算所述圆形天线阵列的辐射电场，包括：
将所述单天线模型的辐射电场总和等效为所述圆形天线阵列的辐射电场
其中，r为天线远场任一点到圆周运动中心的距离，θ为空间俯仰角，
为方位角，t为时间，j为虚数单位，fc为所述单一天线的中心频率，k为波数，Ai为所述圆形天线阵列中的第i个天线阵元的振幅，N为所述圆形天线阵列中的天线阵元的数目，Ui(t)为周期方波信号，
根据所述圆形天线阵列的辐射电场获取所述多模态涡旋电磁波，包括：
将所述圆形天线阵列的辐射电场
进行傅里叶级数展开，得到第m次谐波的辐射电场
其中，
表示第i个天线阵元开始辐射电磁波的时间，
表示第i个天线阵元结束辐射电磁波的时间，
表示第i个天线阵元在一个周期内辐射电磁波的时长；
将所述第m次谐波的辐射电场
简化，得到模态为m的所述涡旋电磁波
其中，A是所述单天线模型的振幅，f0是所述周期方波信号Ui(t)的频率，Jm()表示m阶的第一类贝塞尔函数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述单天线模型的辐射电场Fs(r,θ,φ,t)为：
其中，t为时间，r为天线远场任一点到圆周运动中心的距离，θ为空间俯仰角，
为方位角，j为虚数单位，fc为所述单一天线的中心频率，k为波数，A是所述单一天线的振幅，U(t)为周期方波信号。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在获取所述单天线模型的辐射电场之后还包括：
计算匀速运动一周的所述单天线模型的辐射电场总和：
FT(r,θ,φ,t)＝∫TFs(r,θ,φ,t)dt，
其中，T为所述单天线模型运动一周的时间。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，将所述单天线模型等效为圆形天线阵列，包括：
将匀速运动一周的所述单天线模型按时间维度划分为处于不同位置的N个天线区域；
将所述N个天线区域调制为具有N个天线阵元的圆形天线阵列。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述周期方波信号Ui(t)的表达式为：
其中，T0表示所述周期方波信号Ui(t)的周期，n表示所述周期方波信号Ui(t)的脉冲数，
表示第i个天线阵元开始辐射电磁波的时间，
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