CN112736469B - 一种连续多拓扑荷数涡旋电磁波产生系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续多拓扑荷数涡旋电磁波产生系统及方法。本发明采用两个信号源提供本地振荡器(LO)信号和中频(IF)信号，在本振信号这一路添加延迟线，通过设置延迟线的不同长度，以得到一定的相位偏移。为得到恒定的发射频率，将外差混频器加入到每一个天线单元中，使得出现在每个天线单元上的射频(RF)发射信号是中频(IF)信号和本地振荡器(LO)信号混频的结果；在天线单元部分，本发明将天线单元排布成圆形，将通过移相网络得到的具有相位偏移且频率恒定的信号馈送到各个天线单元上，使其产生涡旋电磁波，并且能够通过改变本振信号的频率使其产生连续拓扑荷数的涡旋电磁波。

Description

一种连续多拓扑荷数涡旋电磁波产生系统及方法

技术领域

本发明涉及电磁波领域，具体涉及一种连续多拓扑荷数涡旋电磁波产生系统及方法。

背景技术

随着无线通信技术的日益发展，信道容量和频谱利用率已经趋近于香农极限，因此难以完全满足网络容量和通信安全。为了增加信息传输容量，提高频谱效率，并建立一个可靠性高、安全性好的通信网络，轨道角动量(OAM)技术被加以利用。天线阵列是产生OAM波束的典型方法，其中应对每一个阵列单元馈以一定的相位偏移，这能使OAM波束绕波的传输轴线旋转，旋转一周，即模式数l＝1，相位增加2π，通过控制馈电相位差来得到不同的OAM模态。

传统的相控阵天线是通过移相器来控制相位延迟，然而，采用移相器来控制阵列单元之间的相位偏移，会导致单个天线单元的成本和复杂性较高，因此开销较大，不利于大型阵列天线的制造。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种连续多拓扑荷数涡旋电磁波产生系统及方法解决了现有相控阵天线通过移相器来控制相位延迟使得成本和复杂性高的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种连续多拓扑荷数涡旋电磁波产生系统，其包括本地振荡器信号源和中频信号源；所述本地振荡器信号源的输出端通过M根延迟线分别与M个外差混频器的输入端相连接；每个外差混频器的另一个输入端分别与中频信号源相连接；每个外差混频器的输出端分别连接一个天线单元，M个天线单元等间距排列为圆形。

提供一种连续多拓扑荷数涡旋电磁波产生方法，其包括以下步骤：

S1、分别获取中频信号源的中频信号和本地振荡器信号源的本振信号；

S2、确定天线单元数量和初始涡旋电磁波模式数，获取进入每个外差混频器的本振信号的相移量，进而获取每根延迟线的长度，并通过延迟线将外差混频器与本地振荡器信号源相连接；

S3、通过外差混频器将进入其内的本振信号和中频信号进行混频，得到混频后的信号；

S4、通过天线单元将每个混频后的信号进行发射，完成涡旋电磁波的产生；

S5、通过改变本振信号的频率，得到连续拓扑荷数的涡旋电磁波。

进一步地，步骤S2中获取进入每个外差混频器的本振信号的相移量的具体方法为：

根据公式：

获取进入第m个外差混频器的本振信号的相移量Δφ_m；其中l为初始涡旋电磁波模式数；π为圆周率。

进一步地，步骤S2中获取每根延迟线的长度的具体方法为：

根据公式：

获取第m根延迟线的长度l_m；其中Δφ_m为进入第m个外差混频器的本振信号的相移量；ω_m为进入第m根延迟线的本振信号的角频率；ε_m为第m根延迟线的介电常数；μ_m为第m根延迟线的磁导率。

进一步地，步骤S3的具体方法为：

对于第m个外差混频器，采用公式：

对进入其内的本振信号和中频信号进行混频，得到混频后的信号S_m；其中C为常数；sin(·)为三角函数；ω₁为本振信号的角频率；ω₂为中频信号的角频率；t为时间；φ₁为本振信号的初始相位；φ₂为中频信号的初始相位；l_m为第m根延迟线的长度；Δφ_m为进入第m个外差混频器的本振信号的相移量；ε_m为第m根延迟线的介电常数；μ_m为第m根延迟线的磁导率。

本发明的有益效果为：

1、本发明提供了一种无移相器且能够产生连续拓扑荷数涡旋电磁波的系统及方法。本发明不使用移相器，而是选用固定延迟线，利用两个信号源的混频保持发射频率恒定，从而产生连续拓扑荷数的涡旋电磁波，本系统和方法可以大大减小系统设计的成本，增加信息传输容量，提高频谱效率。

2、本发明采用两个信号源提供本地振荡器(LO)信号和中频(IF)信号，在本振信号这一路添加延迟线，通过设置延迟线的不同长度，以得到一定的相位偏移。为得到恒定的发射频率，将外差混频器加入到每一个天线单元中，使得出现在每个天线单元上的射频(RF)发射信号是中频(IF)信号和本地振荡器(LO)信号混频的结果；在天线单元部分，本发明将天线单元排布成圆形，将通过移相网络得到的具有相位偏移且频率恒定的信号馈送到各个天线单元上，使其产生涡旋电磁波。

附图说明

图1为外差混频器为4个时本系统的结构示意图；

图2为圆形相控阵结构示意图；

图3为500MHz圆形相控阵幅度图；

图4为500MHz圆形相控阵相位图；

图5为1000MHz圆形相控阵幅度图；

图6为1000MHz圆形相控阵相位图；

图7为1500MHz圆形相控阵幅度图；

图8为1500MHz圆形相控阵相位图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

该连续多拓扑荷数涡旋电磁波产生系统包括本地振荡器信号源和中频信号源；所述本地振荡器信号源的输出端通过M根延迟线分别与M个外差混频器的输入端相连接；每个外差混频器的另一个输入端分别与中频信号源相连接；每个外差混频器的输出端分别连接一个天线单元，M个天线单元等间距排列为圆形。

该连续多拓扑荷数涡旋电磁波产生方法包括以下步骤：

S1、分别获取中频信号源的中频信号和本地振荡器信号源的本振信号；

S2、确定天线单元数量和初始涡旋电磁波模式数，获取进入每个外差混频器的本振信号的相移量，进而获取每根延迟线的长度，并通过延迟线将外差混频器与本地振荡器信号源相连接；

S3、通过外差混频器将进入其内的本振信号和中频信号进行混频，得到混频后的信号；

S4、通过天线单元将每个混频后的信号进行发射，完成涡旋电磁波的产生；

S5、通过改变本振信号的频率，得到连续拓扑荷数的涡旋电磁波。

步骤S2中获取进入每个外差混频器的本振信号的相移量的具体方法为：

根据公式：

获取进入第m个外差混频器的本振信号的相移量Δφ_m；其中l为初始涡旋电磁波模式数；π为圆周率。

步骤S2中获取每根延迟线的长度的具体方法为：根据公式：

获取第m根延迟线的长度l_m；其中Δφ_m为进入第m个外差混频器的本振信号的相移量；ω_m为进入第m根延迟线的本振信号的角频率；ε_m为第m根延迟线的介电常数；μ_m为第m根延迟线的磁导率。

步骤S3的具体方法为：对于第m个外差混频器，采用公式：

对进入其内的本振信号和中频信号进行混频，得到混频后的信号S_m；其中C为常数；sin(·)为三角函数；ω₁为本振信号的角频率；ω₂为中频信号的角频率；t为时间；φ₁为本振信号的初始相位；φ₂为中频信号的初始相位；l_m为第m根延迟线的长度；Δφ_m为进入第m个外差混频器的本振信号的相移量；ε_m为第m根延迟线的介电常数；μ_m为第m根延迟线的磁导率。

在具体实施过程中，如图2所示，有一个圆环阵，放置在xoy平面，圆环的半径为a，有N个天线单元分布在圆环上，第n个天线单元的角度为φ_n，其位置坐标为(x_n,y_n)，该天线单元的远区辐射场为：

式中，C为系数，

为天线单元激励，包括幅度I_n和相位α_n。第n个天线单元的位置坐标为x_n＝acosφ_n，y_n＝asinφ_n，k为波数，j为虚数单位，第n个天线单元的位置矢量为：

则第n个天线单元到远区某观察点Q的距离R_n与坐标原点到同一观察点的距离r的波程差为：

将式(2-3)代入式(2-1)，可得圆形阵的总场为：

其中

即为各个阵元产生的相位项。S(θ,φ)表示圆形阵列的阵列因子，可以表示为：

通过对每一个阵列单元馈以一定的相位偏移，即对第n个天线单元馈以初始相位α_n＝lφ_n，其中lφ_n＝2πnl/N，将其代入式(2-5)中可得：

由式(2-6)可以看出其为第一类贝塞尔函数，因此可以表示为如下形式：

S(θ,φ)＝Nj^-le^jlφJ_l(kasinθ) (2-7)

由式(2-7)，其中含有相位因子e^jlφ，与方位角φ有关，即表明产生了拓扑荷数为l的涡旋电磁波，J_l(·)表示贝塞尔函数。

如图1所示，以4个外差混频器的移相网络结构为例，延迟线的相移常数为：

设中频信号为：

S_IF＝Acos(ω₁t+φ₁) (2-9)

本振信号为：

S_LO＝Bcos(ω₂t+φ₂) (2-10)

中频信号与本振信号混频后所得信号为：

S_RF＝Csin((ω₁+ω₂)t+(φ₁+φ₂)) (2-11)

若本振信号的频率增加Δω，为了保证混频后射频输出信号保持不变，则中频信号的频率应减少Δω，上述可以写作：

S_LO＝Bcos((ω₂+Δω)t+φ₂) (2-12)

S_IF＝Acos((ω₁-Δω)t+φ₁) (2-13)

延迟线作用于本振信号源，则本振信号会增加一个由延迟线产生的Δφ的相移，即

S_LO＝Bcos((ω₂+Δω)t+φ₂+Δφ) (2-14)

已知长度为l'的延迟线能够产生Δφ＝l'β的相移，再由式(2-8)可得到：

因此混频后信号为：

其中可以设置本振和中频信号的初相φ₁＝0,φ₂＝0，则

设天线单元数量为M，若模式数为1，则第一个天线单元的相移应为

可得：

要想通过改变频率的方式使得模式数变为2，则

故Δω＝ω₂，即Δf＝f₂。

在本发明的一个实施例中，以16个外差混频器的移相网络结构为例，使本地振荡器信号源为500MHz，且拓扑荷数为1时，仿真结果如图3和图4所示，从图3中可以看出涡旋电磁波的远场幅度表现为主瓣幅度呈现中空环状的主要特征，同时由图4中可以看出涡旋电磁波的相位波前结构具有一定的空间分布，并不是与一般的电磁场一样的等相位面，而是存在着一定的旋转分布，这与OAM的理论是相符合的，可以看出其拓扑荷数为1。

改变本地振荡器信号源的频率，使其为1000MHz，其仿真结果如图5和图6所示，由图5和图6可以看出，当将本振信号元的频率设置为1000MHz时，涡旋电磁波的拓扑荷数变为2。

继续改变本振信号源的频率，使其为1500NHz，其仿真结果如图7和图8所示，由图7和图8可以看出，当将本振信号元的频率设置为1500MHz时，涡旋电磁波的拓扑荷数变为3。

依次类推，通过调整本地振荡器信号源的频率，可使得仿真所产生的涡旋电磁波的拓扑荷数最大为7。

综上所述，本发明提供了一种无移相器且能够产生连续拓扑荷数涡旋电磁波的系统及方法。本发明不使用移相器，而是选用固定延迟线，利用两个信号源的混频保持发射频率恒定，从而产生连续拓扑荷数的涡旋电磁波，本系统和方法可以大大减小系统设计的成本，增加信息传输容量，提高频谱效率。

Claims (3)

1.一种连续多拓扑荷数涡旋电磁波产生方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、分别获取中频信号源的中频信号和本地振荡器信号源的本振信号；

S2、确定天线单元数量和初始涡旋电磁波模式数，获取进入每个外差混频器的本振信号的相移量，进而获取每根延迟线的长度，并通过延迟线将外差混频器与本地振荡器信号源相连接；

S3、通过外差混频器将进入其内的本振信号和中频信号进行混频，得到混频后的信号；

S4、通过天线单元将每个混频后的信号进行发射，完成涡旋电磁波的产生；

S5、通过改变本振信号的频率，得到连续拓扑荷数的涡旋电磁波；

步骤S3的具体方法为：

对于第m个外差混频器，采用公式：

对进入其内的本振信号和中频信号进行混频，得到混频后的信号S_m；其中C为常数；sin(·)为三角函数；ω₁为本振信号的角频率；ω₂为中频信号的角频率；t为时间；φ₁为本振信号的初始相位；φ₂为中频信号的初始相位；l_m为第m根延迟线的长度；Δφ_m为进入第m个外差混频器的本振信号的相移量；ε_m为第m根延迟线的介电常数；μ_m为第m根延迟线的磁导率。

2.根据权利要求1所述的连续多拓扑荷数涡旋电磁波产生方法，其特征在于，所述步骤S2中获取进入每个外差混频器的本振信号的相移量的具体方法为：

根据公式：

获取进入第m个外差混频器的本振信号的相移量Δφ_m；其中l为初始涡旋电磁波模式数；π为圆周率。

3.根据权利要求1所述的连续多拓扑荷数涡旋电磁波产生方法，其特征在于，所述步骤S2中获取每根延迟线的长度的具体方法为：

根据公式：

获取第m根延迟线的长度l_m；其中Δφ_m为进入第m个外差混频器的本振信号的相移量；ω_m为进入第m根延迟线的本振信号的角频率；ε_m为第m根延迟线的介电常数；μ_m为第m根延迟线的磁导率。

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