CN113871898A - 多馈源共口径多模态轨道角动量涡旋电磁波复用产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多馈源共口径多模态轨道角动量涡旋电磁波复用产生方法，主要解决现有技术无法实现多馈源OAM涡旋电磁波复用和口径利用率低的问题，其方案是：确定馈源的相关参数，并计算反射型人工电磁表面阵列在指向确定出射波束时各阵列单元补偿相位；设计反射型人工电磁表面的阵列单元；控制阵列单元自由度使其反射相位等于其补偿相位；组建多馈源共口径反射型人工电磁表面的多模态OAM涡旋电磁波复用产生模型，以产生多模态OAM涡旋电磁波；通过控制每个馈源的通断实现多模态OAM涡旋电磁波的复用产生。本发明基于不同OAM模态之间的正交性特性，构建补偿相位计算式，提高了天线口径利用率和通信系统的信道容量，可用于无线通信。

Description

多馈源共口径多模态轨道角动量涡旋电磁波复用产生方法

技术领域

本发明属于射频技术领域，更进一步涉及一种多模轨道角动量涡旋电磁波束产生方法，可用于无线通信。

背景技术

随着现代通信的发展，通信网络中对于大容量、高速率通信的需求也日益提升。携带有轨道角动量OAM的涡旋电磁波由于其不同模态间的无穷维正交特性，在增大通信系统的信息传输容量方面相较于传统通信技术有更大的优势。OAM涡旋电磁波在无线通信领域的一个重要应用方向是：通过多个OAM模态涡旋波束的复用传输实现通信系统在通信容量和通信速率上的提升。

YU S X等人在2017年的文章《Generation,reception and separation ofmixedstate orbital angular momen-tum vortex beams using metasurfaces》中提出一种单馈源人工电磁表面的多OAM模态涡旋波束设计方法，该方法是先通过人工电磁表面将馈源天线入射的电磁波进行调制，然后再出射产生携带有混合OAM模态的涡旋电磁波束。该方法虽然可以产生多模态OAM涡旋波束，但是这种单馈源设计，并不能实现OAM模态涡旋波束的多路信号复用。

Lei X Y等人在2017年的文章《Orbital angular momentum reflectarrayantenna with multiple modes》又提出一种基于阵面口径分区的多OAM模态涡旋波束复用设计方法。其将阵面口径分为四个区域，用四个馈源辐射四个区域，该方法虽然可以做到多模态OAM涡旋波束复用，但由于不是真正意义上一个口径内实现不同OAM模态涡旋波复用产生，因而其口径利用率低。

综上所述，现有技术手段均不能实现共口径多模态OAM涡旋电磁波复用。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出了一种真正意义上的多馈源共口径多模态轨道角动量涡旋电磁波复用产生方法，以在共口径下实现多模态OAM涡旋电磁波复用，提高口径利用率。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：

1)确定馈源个数k₀、轨道角动量模态l_i、馈源位置信息(f_xi，f_yi,f_zi)、球坐标系下，出射波的波束指向为

其中i＝1,2,3...k₀；

2)根据1)确定的参数，计算阵列规模为M×N的反射型人工电磁表面在出射波束指向为

时各单元所需补偿的相位ψ_R(x_mn,y_mn)：

其中，函数arg(x)表示取对应复数x的辐角；A_i和ψ_i则分别表示产生OAM模态为l_i时，反射型人工电磁表面的阵列平面上(x_mn,y_mn)位置处阵元所需要的幅度和相位；

表示阵列上阵元对应坐标位置处的空间方位角大小；φ_i(x_mn,y_mn)表示产生第i个模态l_i且波束指向为

时，对应第i个馈源的反射型人工电磁表面阵列平面上各个阵列单元所需要的补偿相位；

3)设计反射型人工电磁表面所采用的阵列单元，每个阵列单元由一个自由度L控制其反射相位，其中L∈[a,b]，a,b均是大于0的数，当L从a变化到b时，单元反射相位变化范围超过360°；

4)控制阵列单元的自由度L使得反射型人工电磁表面上各阵列单元的反射相位等于各阵列单元所需补偿相位ψ_R(x_mn,y_mn)；

5)以排列好的阵列规模为M×N的反射型人工电磁表面为XOY面，阵面圆心为坐标系0点，将k₀个馈源按照1)中确定的位置信息排布，同时激励k₀个馈源辐射无源阵列，产生实现k₀个轨道角动量模态复用的涡旋电磁波；

6)通过控制每个馈源的通与断来控制每个轨道角动量模态的有与无，实现多模态轨道角动量涡旋电磁波的复用产生。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，本发明由于采用多馈源的方式产生多模态OAM涡旋电磁波，每个模态由不同的馈源控制，实现了多路信号复用，相较于现有的单馈源多模态OAM涡旋波产生方法，提高了通信系统的信道容量。

第二，本发明基于不同的OAM模态之间具有正交性这一特性，提出一种新型补偿相位计算方法来实现多馈源共口径多模态轨道角动量涡旋电磁波产生，这种共口径反射型人工电磁表面不同于采用阵面口径分区的传统人工电磁表面，提高了口径利用率。

附图说明

图1为本发明的实现流程图；

图2为本发明中的阵列单元示意图；

图3为本发明中的单元反射相位示意图；

图4为本发明在实施例1中2个馈源时的反射型人工电磁表面的阵列分布图；

图5为本发明在实施例1中馈源个数为2时共口径2模态OAM涡旋电磁波复用产生示意图；

图6为本发明在实施例1中同时激励2个馈源所得涡旋电场分布和OAM模态谱分布图；

图7为本发明在实施例1中单独激励2个馈源所得涡旋电场分布和OAM模态谱分布图；

图8为本发明在实施例2中4个馈源时的反射型人工电磁表面的阵列分布图；

图9为本发明在实施例2中馈源个数为4时共口径4模态OAM涡旋电磁波复用产生示意图；

图10为本发明在实施例2中同时激励4个馈源所得涡旋电场分布和OAM模态谱分布；

图11为本发明在实施例2中对4个馈源进行不同激励配置所得涡旋电场分布和OAM模态谱分布。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详述：

实施例1，实现二馈源共口径混合多模OAM涡旋电磁波束复用的方法

参照图1，本实例的实施步骤包括如下：

步骤1、确定馈源个数k₀、轨道角动量模态l_i、馈源位置信息(f_xi，f_yi,f_zi)、球坐标系下，出射波的波束指向为

其中i＝1,2,3...k₀.

本实例取包括但不限于确定馈源个数2、轨道角动量模态l₁＝1，l₂＝2、球坐标系下，出射波的波束指向为(0,0)；两个馈源喇叭对称地分布于XOZ平面内，且与Z轴构成的夹角为α＝40°，两个馈源喇叭距离坐标中心原点的距离均为300mm，而与之对应的馈源喇叭的位置(f_xi，f_yi,f_zi)也可由此计算。

步骤2、根据步骤1确定的参数，计算阵列规模为40×40的反射型人工电磁表面在出射波束指向为(0，0)时各单元所需补偿的相位ψ_R(x_mn,y_mn)。

馈源位置既定后，其入射波角度也随之确定，为实现出射波波束指向为(0，0)，则需要对反射型人工电磁表面阵列各个单元进行相位补偿，本实例基于不同的轨道角动量模态之间具有正交性这一特性，进行如下补偿相位计算：

2.1)计算对应第i个馈源，产生偏转波束指向为(0，0)时，阵面上各个阵列单元所需要的补偿相位φ_i(x_mn,y_mn)：

式中，k是波数，d_i是馈源到单元的距离，d_i＝(f_xi-x_mn)²+(f_yi-y_mn)²+f_zi ²。

2.2)对2个模态各自所对应的各个阵列单元所需要的补偿相位φ_i(x_mn,y_mn)进一步计算，得到反射型人工电磁表面阵列在出射波束指向为(0，0)时各单元所需的总补偿相位ψ_R(x_mn,y_mn)：

其中，函数arg(x)表示取对应复数x的辐角；

表示阵列上阵元对应坐标位置处的空间方位角大小；A_i和ψ_i分别表示产生OAM模态为l_i时，反射阵列平面上(x_mn,y_mn)位置处阵元所需要的幅度和相位，对于反射型人工电磁表面阵列来讲，它的阵列口面上的幅度分布项A_i(x_mn,y_mn)，一般会近似认为是等幅度均匀分布。

步骤3、设计反射型人工电磁表面所采用的阵列单元。

如图2所示，本步骤设计的阵列单元由金属地1、介质基板2、耶路撒冷十字贴片3构成，其中介质基板2在金属地1之上，耶路撒冷十字贴片3在介质基板2之上，介质基板为相对介电常数为∈r＝2.65的F4B板材。每个阵列单元由耶路撒冷十字贴片3中的十字臂长度Ly控制其反射相位，当Ly线性变化时耶路撒冷十字贴片3整体尺寸也发生线性变化，该阵列单元反射相位随之线性变化。

如图3所示，其中Ly∈[2.4，4.4]，当Ly从2.4mm变化到4.4mm时，耶路撒冷十字贴片3由最小变到最大，单元反射相位从50°线性变化到-450°，变化范围超过360°，可满足设计要求。

步骤4、控制十字臂长度Ly，得到反射型人工电磁表面上各阵列单元的反射相位。

通过控制Ly的数值大小，改变每个阵列单元的耶路撒冷十字贴片3尺寸，使得每个阵列单元反射相位等于其出射波波束为(0，0)所需的补偿相位ψ_R(x_mn,y_mn)，m＝1,2,3...400，n＝1,2,3...400。

步骤5、组建多馈源共口径反射型人工电磁表面，获得到多个模态OAM涡旋电磁波。

5.1)根据步骤4所得反射相位对阵列单元进行排列，为了实现更好的波束对称性，这里对阵列规模为40×40的反射型人工电磁表面取其内切圆，即半径为200mm的圆形阵列如图4所示；

5.2)以反射型人工电磁表面为XOY面，将两个馈源喇叭对称地分布于XOZ平面内，且与Z轴构成的夹角为α＝40°，两个馈源喇叭距离坐标中心原点的距离均为300mm，得双馈源共口径两模态轨道角动量涡旋电磁波复用产生模型如图5所示，对图5所示模型进行HFSS仿真可得到涡旋电场分布；

5.3)为了计算OAM涡旋电磁波的OAM模态谱分布，在三维坐标系中设立500mm×500mm观察面，观察面与Z轴垂直，距离反射型人工电磁表面700mm，其几何中心与Z轴重合，在观察面上以Z轴为中心、r＝200mm为半径均匀采12个点作为采样点，通过采样点信息计算OAM模态谱分布；

5.4)同时激励两个馈源辐射反射型人工电磁表面，产生两个模态OAM涡旋电磁波，其空间辐射电场以及OAM模态谱分布如图6所示，从图6左侧的辐射电场图可以清晰看到两种OAM模态l₁、l₂，且从右侧的OAM模态谱可以看出OAM模态l₁、l₂与其他串扰OAM模态之间保持15dB以上的模态隔离度。

步骤6、控制每个馈源的通断来实现多模态OAM涡旋电磁波的复用产生。

对馈源1和馈源2分别进行激励，得到单模态OAM涡旋电磁波；

只激励馈源1，即对馈源1通电对馈源2断电，得到单模态OAM涡旋电磁波l₁，其空间辐射电场分布和OAM模态谱，如图7(a)所示，从图7(a)左侧的辐射电场图可以清晰看到第一种OAM模态l₁，且从右侧的OAM模态谱可以看出OAM模态l₁与其他串扰OAM模态之间保持15dB以上的模态隔离度；

只激励馈源2，即对馈源2通电对馈源1断电，得到单模态OAM涡旋电磁波l₂，其空间辐射电场分布和OAM模态谱如图7(b)所示,从图7(b)左侧的辐射电场图可以清晰看到第二种OAM模态l₂，且从右侧的OAM模态谱可以看出OAM模态l₂与其他串扰OAM模态之间保持15dB以上的模态隔离度。

上述通过对两种OAM模态单独控制的模式，即只激励馈源1时得到第一种OAM模态l₁，只激励馈源2时得到第二种OAM模态l₂，可在实际应用中根据模态的不同，区分不同的信息，实现信号复用。

图6、图7表明OAM模态l₁、l₂可以独立产生也可以同时复用产生，以满足不同场景的需求。

实施例2，实现四馈源共口径混合多模OAM涡旋电磁波束复用的方法

参照图1，本实例的实现步骤包括如下：

步骤一，确定馈源个数k₀、轨道角动量模态l_i、馈源位置信息(f_xi，f_yi,f_zi)、球坐标系下，出射波的波束指向为

其中i＝1,2,3...k₀.

本实例取包括但不限于确定馈源个数4、轨道角动量模态l₁＝1，l₂＝2，l₃＝3，l₄＝4、球坐标系下，出射波的波束指向为(0,0)；其中两个馈源喇叭对称地分布于XOZ平面内，另外两个馈源喇叭对称地分布于YOZ平面内，四个馈源均与Z轴构成的夹角为α＝40°，四个馈源喇叭距离坐标中心原点的距离均为300mm，而与之对应的馈源喇叭的位置(f_xi，f_yi,f_zi)也可由此计算。

步骤二、根据步骤1确定的参数，计算阵列规模为40×40的反射型人工电磁表面在出射波束指向为(0，0)时各单元所需补偿的相位ψ_R(x_mn,y_mn)。

本实例具体实施步骤与实例1的步骤2相同。

步骤三、设计反射型人工电磁表面所采用的阵列单元。

本实例具体实施步骤与实例1的步骤3相同。

步骤四、控制十字臂长度Ly，得到反射型人工电磁表面上各阵列单元的反射相位。

本实例具体实施步骤与实例1的步骤4相同。

步骤五、组建多馈源共口径反射型人工电磁表面，获得到多个模态OAM涡旋电磁波。

5a)根据步骤四所得反射相位对阵列单元进行排列，为了实现更好的波束对称性，这里对阵列规模为40×40的反射型人工电磁表面取其内切圆，即半径为200mm的圆形阵列如图8所示；

5b)以反射型人工电磁表面为XOY面，先将两个馈源喇叭对称地分布于XOZ平面内，再将另外两个馈源喇叭对称地分布于YOZ平面内，这四个馈源均与Z轴构成的夹角为α＝40°且馈源喇叭距离坐标中心原点的距离均为300mm，得到四馈源共口径多模态轨道角动量涡旋电磁波复用产生模型如图9所示，对图9所示模型进行HFSS仿真可得到涡旋电场分布；

5c)为了计算OAM涡旋电磁波的OAM模态谱分布，在三维坐标系中设立500mm×500mm观察面，观察面与Z轴垂直，距离反射型人工电磁表面700mm，其几何中心与Z轴重合，在观察面上以Z轴为中心、r＝200mm为半径，均匀采12个点作为采样点，通过采样点信息计算OAM模态谱分布；

5d)同时激励四个馈源辐射反射型人工电磁表面，产生四个模态OAM涡旋电磁波，其空间辐射电场以及OAM模态谱分布如图10所示，从图10左侧的辐射电场图可以清晰看到四种OAM模态l₁、l₂、l₃、l₄，且从右侧的OAM模态谱可以看出OAM模态l₁、l₂、l₃、l₄与其他串扰OAM模态之间保持15dB以上的模态隔离度。

步骤六、控制每个馈源的通断来实现多模态OAM涡旋电磁波的复用产生。

对4个馈源进行不同组合的激励配置，得到不同组合的OAM涡旋电磁波，结果如图11，其中：

图11(a)为只对馈源1通电激励，对馈源2、馈源3、馈源4断电，得到单模态OAM涡旋电磁波l₁，其空间辐射电场分布和OAM模态谱。从图11(a)左侧的辐射电场图可以清晰看到OAM模态l₁，且从右侧的OAM模态谱可以看出OAM模态l₁与其他串扰OAM模态之间保持15dB以上的模态隔离度；

图11(b)为只对馈源4通电激励，对馈源1、馈源2、馈源3断电，得到单模态OAM涡旋电磁波l₄，其空间辐射电场分布和OAM模态谱。从图11(b)左侧的辐射电场图可以清晰看到OAM模态l₄，且从右侧的OAM模态谱可以看出OAM模态l₄与其他串扰OAM模态之间保持15dB以上的模态隔离度；

图11(c)为只对馈源1和馈源2通电激励，对馈源3、馈源4断电，得到两个模态OAM涡旋电磁波l₁、l₂，其空间辐射电场分布和OAM模态谱。从图11(c)左侧的辐射电场图可以清晰看到OAM模态l₁、l₂，且从右侧的OAM模态谱可以看出OAM模态l₁、l₂与其他串扰OAM模态之间保持15dB以上的模态隔离度；

上述通过对四种OAM模态单独控制的模式，即只激励馈源1时得到OAM模态l₁，只激励馈源4时得到OAM模态l₄，只激励馈源1和馈源2时得到OAM模态l₁、l₂，可在实际应用中根据模态的不同，区分不同的信息，实现信号复用。

从图10、图11(a)、图11(b)、图11(c)表明OAM模态l₁、l₂、l₃、l₄可以独立产生也可以同时复用产生，满足不同场景的需求。

Claims (2)

1.一种多馈源共口径多模态轨道角动量涡旋电磁波复用产生方法，其特征在于，包括：

1)确定馈源个数k₀、轨道角动量模态l_i、馈源位置信息(f_xi，f_yi,f_zi)、球坐标系下，出射波的波束指向为

其中i＝1,2,3...k₀；

2)根据1)确定的参数，计算阵列规模为M×N的反射型人工电磁表面阵列在出射波束指向为

时各单元所需补偿的相位ψ_R(x_mn,y_mn)：

其中，函数arg(x)表示取对应复数x的辐角；A_i和ψ_i则分别表示产生OAM模态为l_i时，反射阵列平面上(x_mn,y_mn)位置处阵元所需要的幅度和相位；

表示阵列上阵元对应坐标位置处的空间方位角大小；φ_i(x_mn,y_mn)表示对应第i个馈源，产生偏转波束指向为

时，阵面上各个阵列单元所需要的补偿相位；

3)设计反射型人工电磁表面所采用的阵列单元，每个阵列单元由一个自由度Ly控制其反射相位，其中Ly∈[a,b]，a,b均是大于0的数，当Ly从a变化到b时，单元反射相位变化范围超过360°；

4)控制单元的自由度Ly使得反射型人工电磁表面上各单元的反射相位等于各阵列单元所需补偿相位ψ_R(x_mn,y_mn)；

5)以排列好的M×N的反射型人工电磁表面为XOY面，阵面圆心为坐标系O点，将k₀个馈源按照1)中确定的位置信息排布，同时激励k₀个馈源照射无源阵列，产生k₀个轨道角动量涡旋电磁波；

6)通过控制每个馈源的通与断来控制每个轨道角动量模态的有与无，实现多模态轨道角动量涡旋电磁波的复用产生。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，2)中对应第i个馈源的阵面上各个阵列单元所需要的补偿相位φ_i(x_mn,y_mn)，计算公式如下：

式中，k是波数，(x_mn，y_mn)表示各单元在坐标系中的位置信息m＝1,2,3...Mn＝1,2,3...N，d_i是馈源到单元的距离，d_i＝(f_xi-x_mn)²+(f_yi-y_mn)²+f_zi ²。

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