CN111293421A - 一种具有汇聚功能的偏馈式涡旋波发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有汇聚功能的偏馈式涡旋波发生器，它包括反射阵以及位于所述反射阵前方非正对区域的天线馈源；所述天线馈源用于向反射阵几何中心位置辐射球面电磁波，所述反射阵用于通过相位补偿的方式将天线馈源入射的球面波转化为汇聚涡旋波，并沿垂直反射阵的方向发射传播。本发明的优点在于：通过反射阵对入射的球面电磁波进行相位补偿实现了具有汇聚功能的汇聚涡旋波的发射；将天线馈源设置在反射阵的侧方，免除了天线馈源对辐射电磁波的遮挡，同时也避免了辐射电磁波对天线馈源的影响；且在反射阵前形成的焦点F能够对产生的涡旋波进行汇聚和电场增强的效果，且整体平面阵列结构简单。

Description

一种具有汇聚功能的偏馈式涡旋波发生器
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种具有汇聚功能的偏馈式涡旋波发生器。
背景技术
在通信领域与存在且较成熟的复用方式有：频分复用、时分复用、码分复用和空分复用四种基本方式，每种复用方式都带来了使通信容量的飞速提高。但即便如此随着移动终端数量逐渐上升，信息呈现出爆炸式发展态势。为满足用户不断增长的移动数据业务需求，一种更高速、高效、智能的新一代无线移动通信技术的研究显得迫在眉睫，轨道角动量(OAM:orbital angular momentum，是描述电磁波横向旋转特性的参数)，是一种全新的物理机制，可能从一种新的维度来进一步加大系统容量以及频谱利用率。携带轨道角动量的电磁波称之为涡旋波。与之对应的涡旋电磁波技术作为一种新的复用技术“态分复用”，在无线通信中逐渐成为研究的热点。
到目前为止，用于产生携带轨道角动量涡旋波束的主要方法为阵列天线、全息板、旋转相位板和电磁反射阵结构。其中电磁反射阵结构相较于其他的方法有着体积小，剖面薄，易加工且无需复杂馈电网络的特点，并且能够产生OAM模式更纯的涡旋波束。已有的传统轨道角动量反射阵，通过设计反射阵中离散单元的几何结构，使其满足轨道角动量反射阵天线的相位补偿公式，产生具有螺旋形式连续变化的相位波前的涡旋电磁波。例如申请公布号为CN 105680162 A，名称为“轨道角动量多波束产生方法”的专利申请，以及申请公布号为CN 108539417 A，名称为“一种圆极化轨道角动量反射阵天线”的专利申请，各自分别公开了一种轨道角动量反射阵天线。
但是由于其馈电天线位于阵列正前方，馈源会对反射涡旋波的产生遮挡，导致产生的涡旋波纯度降低。并且产生的涡旋场无汇聚功能，场强较弱。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种具有汇聚功能的偏馈式涡旋波发生器，用于产生具有圆极化和轨道角动量双重特性的汇聚涡旋电磁波，其具有的偏馈和聚焦两个特点有助于进一步提高涡旋波的应用前景。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种具有汇聚功能的偏馈式涡旋波发生器，它包括反射阵以及位于所述反射阵前方非正对区域的天线馈源；所述天线馈源用于向反射阵几何中心位置辐射球面电磁波，所述反射阵用于通过相位补偿的方式将天线馈源入射的球面波转化为汇聚涡旋波，并沿垂直反射阵的方向发射传播。
所述通过相位补偿的方式将天线馈源入射的球面波转化为汇聚涡旋波包括反射阵将入射的球面电磁波进行涡旋波相位补偿实现球面电磁波向涡旋波转换，和引入汇聚相位差实现将球面电磁波转化为汇聚涡旋波。
在所述引入汇聚的相位差实现将球面电磁波转化为汇聚涡旋波的过程中，会在以所述反射阵为xoy坐标面，在反射阵前方形成有一焦点F，焦点F的焦点坐标为(0，0，Zf)；焦点F对产生于焦点F与反射阵之间的涡旋波进行汇聚和场增强。
所述天线馈源为圆极化天线，其位于反射阵前方非正对区域的位置为天线馈源的投影位于反射阵一边的中点处，且天线馈源与反射阵垂直距离为d。
通过调节天线馈源与反射阵的垂直距离d的长短，对反射涡旋波的总能量进行调节；进而调节反射阵将球面电磁波转化为涡旋波的转化率，以及调节对反射阵的耦合影响。
所述反射阵包括N*N个周期单元结构组成，N≥2*l，每个周期单元结构包括介质材料层、位于介质材料层上方的辐射金属片、以及位于介质材料层的金属地；所述介质材料层包括方形结构的介质材料层，把周期性单元结构按照方形晶格排列形成有效的反射阵。
所述介质材料层的几何中心和所述辐射金属片的几何中心同轴，以保证辐射金属片旋转时其几何中心始终位于介质材料层的中心。
所述辐射金属片包括一矩形金属片，在矩形金属片的长边中间裁剪掉两个结构相同的小矩形片；能够对入射的球面电磁波高效地转化为涡旋波，以及通过旋转辐射金属片实现对相位补偿的调节。
所述反射阵中需要的相位补偿为Φ，其表达式为：
Figure BDA0002384258600000021
其中，l为想要产生的轨道角动量的模式数，p为单元结构的周期，k0为自由空间波束，d为天线馈源与反射阵垂直距离，x和y分别为坐标轴上各辐射单元的坐标位置。这里的坐标轴满足：以反射阵的几何中心为原点，以印制有金属地的一侧为xoy坐标面，z轴正向指向辐射金属片方向，x轴正向指向天线馈源的投影点。
l×arctan(y/x)为涡旋波相位补偿项，
Figure BDA0002384258600000022
为汇聚相位差项。
本发明具有以下优点：一种具有汇聚功能的偏馈式涡旋波发生器，通过反射阵对入射的球面电磁波进行相位补偿实现了具有汇聚功能的汇聚涡旋波的发射；将天线馈源设置在反射阵的侧方，免除了天线馈源对辐射电磁波的遮挡，同时也避免了辐射电磁波对天线馈源的影响；且在反射阵前形成的焦点F能够对产生的涡旋波进行汇聚和电场增强的效果，且整体平面阵列结构简单。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的周期单元结构的侧视图；
图3为本发明的周期单元结构的俯视图；
图4为涡旋波产生的结果图；
图5为产生的涡旋波相位结果图；
图6为产生的非汇聚涡旋波电场幅度结果图；
图7为产生的汇聚涡旋波电场幅度结果图；
图中：1-天线馈源，2-周期单元结构，21-辐射金属片，22-介质材料层，23金属地，211-矩形金属片，212-小矩形片，3-反射阵，4-球面电磁波，5-汇聚涡旋波，6-焦点F。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，一种具有汇聚功能的偏馈式涡旋波发生器，它包括反射阵以及位于所述反射阵前方非正对区域的天线馈源；所述天线馈源用于向反射阵几何中心位置辐射球面电磁波，所述反射阵用于通过相位补偿的方式将天线馈源入射的球面波转化为汇聚涡旋波，并沿垂直反射阵的方向发射传播。
所述通过相位补偿的方式将天线馈源入射的球面波转化为汇聚涡旋波包括反射阵将入射的球面电磁波进行涡旋波相位补偿实现球面电磁波向涡旋波转换，和引入汇聚相位差实现将球面电磁波转化为汇聚涡旋波。
在所述引入汇聚的相位差实现将球面电磁波转化为汇聚涡旋波的过程中，会在以所述反射阵为xoy坐标面，在反射阵前方形成有一焦点F，焦点F的焦点坐标为(0，0，Zf)；焦点F对产生于焦点F与反射阵之间的涡旋波进行汇聚和场增强。
所述天线馈源为圆极化天线，其位于反射阵前方非正对区域的位置为天线馈源的投影位于反射阵一边的中点处，且天线馈源与反射阵垂直距离为d。
通过调节天线馈源与反射阵的垂直距离d的长短，对反射涡旋波的总能量进行调节；进而调节反射阵将球面电磁波转化为涡旋波的转化率，以及调节对反射阵的耦合影响。
如图2和图3所示，所述反射阵包括N*N个周期单元结构组成，N≥2*l，每个周期单元结构包括介质材料层、位于介质材料层上方的辐射金属片、以及位于介质材料层的金属地；所述介质材料层包括方形结构的介质材料层，把周期性单元结构按照方形晶格排列形成有效的反射阵。
所述介质材料层的几何中心和所述辐射金属片的几何中心同轴，以保证辐射金属片旋转时其几何中心始终位于介质材料层的中心。
所述辐射金属片包括一矩形金属片，在矩形金属片的长边中间裁剪掉两个结构相同的小矩形片；能够对入射的球面电磁波高效地转化为涡旋波，以及通过旋转辐射金属片实现对相位补偿的调节。
所述反射阵中需要的相位补偿为Φ，其表达式为：
Figure BDA0002384258600000041
其中，l为想要产生的轨道角动量的模式数，p为单元结构的周期，k0为自由空间波束，d为天线馈源与反射阵垂直距离，x和y分别为坐标轴上各辐射单元的坐标位置。这里的坐标轴满足：以反射阵的几何中心为原点，以印制有金属地的一侧为xoy坐标面，z轴正向指向辐射金属片方向，x轴正向指向天线馈源的投影点。
l×arctan(y/x)为涡旋波相位补偿项，
Figure BDA0002384258600000042
为汇聚相位差项。
具体的实施例中，一种具有汇聚功能的偏馈式涡旋波发生器包括天线馈源1和位于天线馈源1正前方的反射阵3。天线馈源1采用阿基米德螺旋天线，具有体积小(半斤仅为12mm)、带宽宽(工作频率为7GHz-18GHz)的特点。能够产生宽带圆极化的电磁波(带宽内轴比小于4dB)。天线具有背腔结构(材料为铝)，用于抑制背面辐射。天线馈源所在点在反射阵3上正投影于反射阵的底边中点。所述天线馈源与反射阵3的垂直距离为d＝80mm，天线馈源1辐射方向对着反射阵3几何中心位置。
反射阵3由16*16个周期排列的周期单元结构2组成，每个单元包括上层介质材料板为F4B介电常数为εr＝2.65、以及印制在介质材料板22上面的辐射金属片21和下面的金属地23。在本具体实施例中，矩形金属片211长度a＝8mm、宽度b＝3mm。被裁掉的两小矩形金属片212的参数w＝1mm、h＝1.2mm。介质材料板22的厚度为3mm。在本具体实施例中，所述偏馈式涡旋波发生器的中心工作频率f0＝8.5GHz,N＝16,l＝1。确定反射阵3的焦点F 6坐标为(0，0，Zf)，这里Zf＝240mm。
更具上述参数带入下面式子，求出反射阵3中的周期单元结构2需要的相位补偿Φ的表达式为：
Figure BDA0002384258600000043
在本具体实施例中通过旋转各个周期单元结构2中的辐射金属21，旋转角度为θ＝Φ/2，得到反射阵3。
如图4所示，在本具体实施例中，中空的方向图确认了产生的电磁波具有汇聚涡旋电磁波特性。其汇聚的涡旋波的辐射方向为正z轴，垂直于反射阵，这与设计一致，并有效地避开了馈源的干扰。
如图5所示，在本具体实施例中，观测平面大小为200mm*200mm,观测位置距离反射阵150mm。近场观测结果的电场相位呈螺旋状对称分布，它满足模式数为1(l＝1)的OAM波束的场分布特点。以上仿真结果说明，本发明具有理想的圆极化电场幅度分布和电场相位分布，并满足轨道角动量反射阵天线的设计要求。
如图6和图7所示，在本具体实施例中，分别给出了具有汇聚功能(图7)和非汇聚功能(图6)的偏馈式涡旋波发生器仿真结果。观测平面大小为200mm*200mm,观测位置距离反射阵150mm。由近场观测平面的电场幅度可以看出，图7中本发明产生的涡旋波束相较于图6中结果具有更小的波束主瓣，并且电场幅度峰值从大约97V/m上升到约139V/m。以上仿真结果说明，本发明产生的涡旋波束具有理想的圆极化电场幅度分布和电场相位分布，并满足轨道角动量反射阵天线的设计要求。并且在指定区域，所述发生器对产生的涡旋波束具有汇聚和场增强的效果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种具有汇聚功能的偏馈式涡旋波发生器，其特征在于：它包括反射阵(3)以及位于所述反射阵(3)前方非正对区域的天线馈源(1)；所述天线馈源(1)用于向反射阵(3)几何中心位置辐射球面电磁波(4)，所述反射阵(3)用于通过相位补偿的方式将天线馈源(1)入射的球面波(4)转化为汇聚涡旋波(5)，并沿垂直反射阵(3)的方向发射传播。
2.根据权利要求1所述的一种具有汇聚功能的偏馈式涡旋波发生器，其特征在于：所述通过相位补偿的方式将天线馈源(1)入射的球面波(4)转化为汇聚涡旋波(5)包括反射阵(3)将入射的球面电磁波(4)进行涡旋波相位补偿实现球面电磁波(4)向涡旋波转换，和引入汇聚相位差实现将球面电磁波(4)转化为汇聚涡旋波(5)。
3.根据权利要求1所述的一种具有汇聚功能的偏馈式涡旋波发生器，其特征在于：在所述引入汇聚的相位差实现将球面电磁波(4)转化为汇聚涡旋波(5)的过程中，会在以所述反射阵(3)为xoy坐标面，在反射阵(3)前方形成有一焦点F(6)，焦点F(6)的焦点坐标为(0，0，Zf)；焦点F(6)对产生于焦点F(6)与反射阵(3)之间的涡旋波(5)进行汇聚和场增强。
4.根据权利要求1所述的一种具有汇聚功能的偏馈式涡旋波发生器，其特征在于：所述天线馈源(1)为圆极化天线，其位于反射阵(3)前方非正对区域的位置为天线馈源(1)的投影位于反射阵(3)一边的中点处，且天线馈源(1)与反射阵(3)垂直距离为d。
5.根据权利要求3所述的一种具有汇聚功能的偏馈式涡旋波发生器，其特征在于：通过调节天线馈源(1)与反射阵(3)的垂直距离d的长短，对反射涡旋波的总能量进行调节；进而调节反射阵(3)将球面电磁波(4)转化为涡旋波的转化率，以及调节对反射阵(3)的耦合影响。
6.根据权利要求1所述的一种具有汇聚功能的偏馈式涡旋波发生器，其特征在于：所述反射阵(3)包括N*N个周期单元结构(2)组成，每个周期单元结构(2)包括介质材料层(22)、位于介质材料层(22)上方的辐射金属片(21)、以及位于介质材料层(22)的金属地(23)；所述介质材料层(22)包括方形结构的介质材料层，把周期性单元结构(2)按照方形晶格排列形成有效的反射阵(3)。
7.根据权利要求6所述的一种具有汇聚功能的偏馈式涡旋波发生器，其特征在于：所述介质材料层(22)的几何中心和所述辐射金属片(21)的几何中心同轴，以保证辐射金属片(21)旋转时其几何中心始终位于介质材料层(22)的中心。
8.根据权利要求6所述的一种具有汇聚功能的偏馈式涡旋波发生器，其特征在于：所述辐射金属片(21)包括一矩形金属片(211)，在矩形金属片(211)的长边中间裁剪掉两个结构相同的小矩形片(2)；能够对入射的球面电磁波(4)高效地转化为涡旋波，以及通过旋转辐射金属片(21)实现对相位补偿的调节。
9.根据权利要求6-8中任意一项所述的一种具有汇聚功能的偏馈式涡旋波发生器，其特征在于：所述反射阵(3)中需要的相位补偿为Φ，其表达式为：
Figure FDA0002384258590000021
其中，l为想要产生的轨道角动量的模式数，p为单元结构的周期，k0为自由空间波束，d为天线馈源(1)与反射阵(3)垂直距离，x和y分别为坐标轴上各辐射单元的坐标位置。这里的坐标轴满足：以反射阵(3)的几何中心为原点，以印制有金属地(23)的一侧为xoy坐标面，z轴正向指向辐射金属片(21)方向，x轴正向指向天线馈源的投影点。
10.根据权利要求9所述的一种具有汇聚功能的偏馈式涡旋波发生器，其特征在于：l×arctan(y/x)为涡旋波相位补偿项，
Figure FDA0002384258590000022
为汇聚相位差项。
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