CN112751197B - 一种相控涡旋电磁波产生系统及方法 - Google Patents

一种相控涡旋电磁波产生系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种相控涡旋电磁波产生系统及方法。系统包括本地振荡器信号源和中频信号源；本地振荡器信号源的输出端通过M个移相器分别与M个混频器的输入端相连接；每个混频器的另一个输入端分别与中频信号源相连接；每个混频器的输出端分别通过一个移相器连接一个天线单元，M个天线单元等间距排列为圆形。本发明通过圆形阵列产生具有不同模态的涡旋电磁波一般是围绕着中轴旋转，将相控阵控制波束指向的方法与产生涡旋电磁波方法相结合，使得涡旋电磁波的中轴具有不同的方向。本发明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。

Description

一种相控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，具体涉及一种相控涡旋电磁波产生系统及方法。
背景技术
近年来，随着经济和科技的飞速发展，作为信息载体的电磁波也越来越受到人们的关注，它除了传统的携带信息的方式外，其波前以电磁涡旋形式展现的信息调制能力也越来越受到人们的关注。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。
相控阵即通过移相器改变阵列的每个阵列天线单元中的激励电流的相位，从而改变阵列的等相位面，实现电控扫描。阵列天线的波束扫描可根据需要分为一维扫描阵列和二维扫描阵列；一维扫描阵列表示只能在一个方向上进行波束扫描，二维扫描阵列可同时在方位和俯仰两个方向进行波束扫描。相控阵可以通过移相器控制天线波束无动量快速扫描，具有任意指向的扫描将解决扫描盲区问题，提高扫描效率。
现有的相控阵系统中，天线的波束指向由波束控制系统来执行，它主要通过对各阵元相位和增益的控制实现波束空间指向的变化；且现有的采用的圆形阵列产生涡旋电磁波的方法仅具有单一指向，无法使涡旋波束的指向任意可控。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种相控涡旋电磁波产生系统及方法提出一种将涡旋电磁波和控制波束方向相结合的方法，使涡旋波束具有任意指向。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种相控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；本地振荡器信号源的输出端通过M个移相器分别与M个混频器的输入端相连接；每个混频器的另一个输入端分别与中频信号源相连接；每个混频器的输出端分别通过一个移相器连接一个天线单元，M个天线单元等间距排列为圆形。
提供一种相控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、通过移相器将混频器与本地振荡器信号源相连接，确定天线单元数量和初始涡旋电磁波模式数，获取每个位于混频器与本地振荡器信号源之间的移相器的移相量；
S3、通过混频器将进入其内的本振信号和中频信号进行上变频，得到上变频后的信号；
S4、对于所有上变频后的信号，分别采用一个移相器对其进行移相后输入天线单元，通过天线单元将输入信号进行发射，完成具有任意指向的涡旋电磁波的产生；
S5、通过改变本振信号的相位，得到具有任意指向且连续拓扑荷数的涡旋电磁波。
进一步地，步骤S2中获取每个位于混频器与本地振荡器信号源之间的移相器的移相量的具体方法为：
根据公式：
Figure BDA0002860812210000021
获取进入第m个混频器的本振信号的相移量Δφm；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S4中采用一个移相器对一个上变频后的信号进行移相的具体方法为：
根据公式：
αm＝-kasinθ0cos(φ0-φm)
获取第m个移相器需要将输入其的上变频后的信号进行移相的移相量αm，并对上变频后的信号进行移相量为αm的移相，进而完成对所有上变频后的信号进行移相；其中k为波束；a为由M个天线单元等间距排列而成的圆形的半径；(θ0,φ0)为目的方位；φm为阵元方位角。
进一步地，步骤S5中具有任意指向且连续拓扑荷数的涡旋电磁波的辐射方向图函数为：
Figure BDA0002860812210000031
其中S(θ,φ)表示在方位为(θ,φ)处的辐射方向图函数；Im为幅度；j为虚数单位；l为初始涡旋电磁波模式数。
本发明的有益效果为：
1、本发明通过圆形阵列产生具有不同模态的涡旋电磁波一般是围绕着中轴旋转，将相控阵控制波束指向的方法与产生涡旋电磁波方法相结合，使得涡旋电磁波的中轴具有不同的方向。本发明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。
附图说明
图1为混频器为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为拓扑荷数为1、
Figure BDA0002860812210000032
取
Figure BDA0002860812210000033
时圆形相控阵幅度图；
图4为拓扑荷数为1、
Figure BDA0002860812210000041
取
Figure BDA0002860812210000042
时圆形相控阵幅度图；
图5为拓扑荷数为1、
Figure BDA0002860812210000043
取
Figure BDA0002860812210000044
时圆形相控阵幅度图；
图6为
Figure BDA0002860812210000045
取
Figure BDA0002860812210000046
拓扑荷数为1的圆形相控阵幅度图；
图7为
Figure BDA0002860812210000047
取
Figure BDA0002860812210000048
拓扑荷数为1的圆形相控阵相位图；
图8为
Figure BDA0002860812210000049
取
Figure BDA00028608122100000410
拓扑荷数为2的圆形相控阵幅度图；
图9为
Figure BDA00028608122100000411
取
Figure BDA00028608122100000412
拓扑荷数为2的圆形相控阵相位图；
图10为
Figure BDA00028608122100000413
取
Figure BDA00028608122100000414
拓扑荷数为3的圆形相控阵幅度图；
图11为
Figure BDA00028608122100000415
取
Figure BDA00028608122100000416
拓扑荷数为2的圆形相控阵相位图。
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。
该相控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；本地振荡器信号源的输出端通过M个移相器分别与M个混频器的输入端相连接；每个混频器的另一个输入端分别与中频信号源相连接；每个混频器的输出端分别通过一个移相器连接一个天线单元，M个天线单元等间距排列为圆形。
该相控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、通过移相器将混频器与本地振荡器信号源相连接，确定天线单元数量和初始涡旋电磁波模式数，获取每个位于混频器与本地振荡器信号源之间的移相器的移相量；
S3、通过混频器将进入其内的本振信号和中频信号进行上变频，得到上变频后的信号；
S4、对于所有上变频后的信号，分别采用一个移相器对其进行移相后输入天线单元，通过天线单元将输入信号进行发射，完成具有任意指向的涡旋电磁波的产生；
S5、通过改变本振信号的相位，得到具有任意指向且连续拓扑荷数的涡旋电磁波。
步骤S2中获取每个位于混频器与本地振荡器信号源之间的移相器的移相量的具体方法为：根据公式：
Figure BDA0002860812210000051
获取进入第m个混频器的本振信号的相移量Δφm；其中l为初始涡旋电磁波模式数；π为圆周率。
步骤S4中采用一个移相器对一个上变频后的信号进行移相的具体方法为：根据公式：
αm＝-kasinθ0cos(φ0-φm)
获取第m个移相器需要将输入其的上变频后的信号进行移相的移相量αm，并对上变频后的信号进行移相量为αm的移相，进而完成对所有上变频后的信号进行移相；其中k为波束；a为由M个天线单元等间距排列而成的圆形的半径；(θ0,φ0)为目的方位；φm为阵元方位角。
步骤S5中具有任意指向且连续拓扑荷数的涡旋电磁波的辐射方向图函数为：
Figure BDA0002860812210000061
其中S(θ,φ)表示在方位为(θ,φ)处的辐射方向图函数；Im为幅度；j为虚数单位；l为初始涡旋电磁波模式数。
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φn，其位置坐标为(xn,yn)，该天线单元的远区辐射场为：
Figure BDA0002860812210000062
式中，C为系数，
Figure BDA0002860812210000063
为天线单元激励，包括幅度In和相位αn。第n个天线单元的位置坐标为xn＝acosφn，yn＝asinφn，k为波数，j为虚数单位，第n个天线单元的位置矢量为：
Figure BDA0002860812210000064
则第n个天线单元到远区某观察点Q的距离Rn与坐标原点到同一观察点的距离r的波程差为：
Figure BDA0002860812210000065
将式(2-3)代入式(2-1)，可得圆形阵的总场为：
Figure BDA0002860812210000066
其中
Figure BDA0002860812210000067
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：
Figure BDA0002860812210000071
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αn＝lφn，其中lφn＝2πnl/N，将其代入式(2-5)中可得：
Figure BDA0002860812210000072
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-lejlφJl(kasinθ) (2-7)
由式(2-7)，其中含有相位因子ejlφ，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，Jl(·)表示贝塞尔函数。
在本发明的一个实施例中，以8个阵元为例，根据具有任意指向且连续拓扑荷数的涡旋电磁波的辐射方向图函数，取拓扑荷数l＝1，当
Figure BDA0002860812210000073
取
Figure BDA0002860812210000074
时，圆形相控阵幅度图的仿真结果如图3所示，从图3中可知辐射方向已不再指向z轴正向，而是指向
Figure BDA0002860812210000075
取
Figure BDA0002860812210000076
的方向。当
Figure BDA0002860812210000077
取
Figure BDA0002860812210000078
时，圆形相控阵幅度图的仿真结果如图4所示，从图4中可知辐射方向已不再指向z轴正向，而是指向
Figure BDA0002860812210000079
取
Figure BDA00028608122100000710
的方向。当
Figure BDA00028608122100000711
取
Figure BDA00028608122100000712
时，圆形相控阵幅度图的仿真结果如图5所示，从图5中可知辐射方向已不再指向z轴正向，而是指向
Figure BDA00028608122100000713
取
Figure BDA00028608122100000714
的方向。由此可看出，本方法可以产生具有任意指向的涡旋波束。
此外，当
Figure BDA00028608122100000715
取
Figure BDA00028608122100000716
时，不同拓扑荷数的圆形相控阵相位图仿真结果如图6和图7所示，由图6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7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。改变涡旋电磁波的拓扑荷数，使其为2，则仿真结果如图8和图9所示。继续改变涡旋电磁波的拓扑荷数，使其为3，则仿真结果如图10和图11所示。由此可见，本发明在涡旋波束具有指向的同时，改变涡旋电磁波的拓扑荷数，也可使对应的涡旋波束具有指向。
综上所述，本发明通过圆形阵列产生具有不同模态的涡旋电磁波一般是围绕着中轴旋转，将相控阵控制波束指向的方法与产生涡旋电磁波方法相结合，使得涡旋电磁波的中轴具有不同的方向。本发明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)

1.一种相控涡旋电磁波产生系统，其特征在于，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个移相器分别与M个混频器的输入端相连接；每个混频器的另一个输入端分别与中频信号源相连接；每个混频器的输出端分别通过一个移相器连接一个天线单元，M个天线单元等间距排列为圆形；
其中第m个位于混频器与本地振荡器信号源之间的移相器的移相量
Figure FDA0003228408720000011
l为初始涡旋电磁波模式数；π为圆周率；
第m个位于混频器与天线单元之间的移相器的移相量αm＝-ka sinθ0cos(φ0-φm)，k为波束，a为由M个天线单元等间距排列而成的圆形的半径，(θ0,φ0)为目的方位，φm为阵元方位角。
2.一种相控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、通过移相器将混频器与本地振荡器信号源相连接，确定天线单元数量和初始涡旋电磁波模式数，获取每个位于混频器与本地振荡器信号源之间的移相器的移相量；
S3、通过混频器将进入其内的本振信号和中频信号进行上变频，得到上变频后的信号；
S4、对于所有上变频后的信号，分别采用一个移相器对其进行移相后输入天线单元，通过天线单元将输入信号进行发射，完成具有任意指向的涡旋电磁波的产生；
S5、通过改变本振信号的相位，得到具有任意指向且连续拓扑荷数的涡旋电磁波；
步骤S2中获取每个位于混频器与本地振荡器信号源之间的移相器的移相量的具体方法为：
根据公式：
Figure FDA0003228408720000021
获取进入第m个混频器的本振信号的相移量Δφm；其中l为初始涡旋电磁波模式数；π为圆周率；
步骤S4中采用一个移相器对一个上变频后的信号进行移相的具体方法为：
根据公式：
αm＝-ka sinθ0cos(φ0-φm)
获取第m个移相器需要将输入其的上变频后的信号进行移相的移相量αm，并对上变频后的信号进行移相量为αm的移相，进而完成对所有上变频后的信号进行移相；其中k为波束；a为由M个天线单元等间距排列而成的圆形的半径；(θ0,φ0)为目的方位；φm为阵元方位角。
3.根据权利要求2所述的相控涡旋电磁波产生方法，其特征在于，步骤S5中具有任意指向且连续拓扑荷数的涡旋电磁波的辐射方向图函数为：
Figure FDA0003228408720000022
其中S(θ,φ)表示在方位为(θ,φ)处的辐射方向图函数；Im为幅度；j为虚数单位；l为初始涡旋电磁波模式数。
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