CN115333909A - 基于oam正交模态复用的多通道多波束系统及复用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于OAM正交模态复用的多通道多波束系统及复用方法。包括：信号发射端和口径面；口径面设置在电磁波波束信号发射端上方；所述电磁波波束信号发射端用于同时产生多个OAM模态正交的电磁波波束；所述口径面具有阵列排布的亚波长超表面单元，用于对空间入射的电磁波进行任意相位控制，经过口径面相位调制后产生多个沿不同方向辐射的通道独立的电磁波波束。通过该发明可以利用OAM模态正交复用的特性，产生多个指向可控的、独立通道的电磁波波束，并且降低了接收端接收的复杂度。解决了OAM复用中，涡旋电磁波远距离传播波束能量衰减以及波束对准的难题。

Description

基于OAM正交模态复用的多通道多波束系统及复用方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别涉及一种基于OAM正交模态复用的多通道多波束系统及复用方法。

背景技术

电磁波可以携带轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)，携带OAM的电磁波在传播方向上表现出螺旋波前以及幅度零点，被称为涡旋电磁波。OAM独立于电磁波的其它特性，是一个独立的自由度。基于不同模态OAM之间的正交性，涡旋电磁波被应用于无线通信领域的复用上。

OAM复用首先需要产生多个OAM模态正交的涡旋电磁波，再将其对应至多个独立的信号通道。经过空间的传播后，接收端装置分别接收不同OAM模态的电磁波，即可实现OAM复用。

然而，涡旋电磁波的接收存在以下技术问题：

涡旋电磁波具有环形的幅度分布以及传播发散特性，经过远距离传播后，波束能量衰减严重，波束对准也具有困难；接收并判定正交的OAM模态需要一定的口面大小，常见方案采用天线阵列接收并进行信号处理，设计上复杂且成本高。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于OAM正交模态复用的多通道多波束系统及复用方法。该发明通过可对空间入射的电磁波进行任意相位控制的口径面，可对照射在该口径面上的多个OAM模态正交的电磁波波束进行相位调控，并将其转换为不同方向出射的通道独立的电磁波波束。出射的电磁波波束不携带OAM模态，波束形状为普通的笔形波束，可分别使用简单的天线结构进行接收。通过该发明可以利用OAM模态正交复用的特性，产生多个指向可控的、独立通道的电磁波波束，并且降低了接收端接收的复杂度。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于OAM正交模态复用的多通道多波束系统，包括：信号发射端和口径面；口径面设置在电磁波波束信号发射端上方；

所述电磁波波束信号发射端用于同时产生多个OAM模态正交的电磁波波束；

所述口径面具有阵列排布的亚波长超表面单元，用于对空间入射的电磁波进行任意相位控制，经过口径面相位调制后产生多个沿不同方向辐射的通道独立的电磁波波束。

作为本发明的进一步改进，所述信号发射端由一个12元环形天线阵组成；所述环形天线阵中每个阵元的激励幅度均相等；信号发射端能同时产生+1，-1，+3，-3四个OAM模态正交的电磁波波束；四个OAM模态正交的电磁波波束频率相同，极化相同。

作为本发明的进一步改进，所述信号发射端能同时产生+1，-1，+3，-3四个OAM模态正交的电磁波波束，具体为：

当沿顺时针方向每个阵元的激励相位相差30°时，产生携带+1阶OAM模态的涡旋电磁波；

当沿顺时针方向每个阵元的激励相位相差-30°时，产生携带-1阶OAM模态的涡旋电磁波；

当沿顺时针方向每个阵元的激励相位相差90°时，产生携带+3阶OAM模态的涡旋电磁波；

当沿顺时针方向每个阵元的激励相位相差-90°时，产生携带-3阶OAM模态的涡旋电磁波。

作为本发明的进一步改进，所述亚波长超表面单元包括：耦合层、相位调控层、辐射层及两层屏蔽层；

第一屏蔽层设置在耦合层上方，下支柱一端与耦合层连接，另一端穿过第一屏蔽层与相位调控层一端连接；

第二屏蔽层设置在相位调控层上，辐射层设置在第二屏蔽层上，上支柱一端与相位调控层另一端连接，上支柱另一端穿过第二屏蔽层与辐射层连接。

作为本发明的进一步改进，所述辐射层金属贴片结构为切角方形或不切角方形。

作为本发明的进一步改进，所述口径面上每个亚波长超表面单元的相位响应表达为：

其中r为径向位置，

为方向角位置，l_m为OAM模态数，k_xm和k_ym分别是不同出射方向的电磁波波束对应的x和y坐标方向的波数，m为+1，-1，+3和-3。

作为本发明的进一步改进，所述口径面包括M×N个亚波长超表面单元，其中M为超表面横向单元总数，N为超表面纵向单元总数。

作为本发明的进一步改进，所述亚波长超表面单元结构的总体尺寸为正方形，边长为1/3倍波长，厚度为0.06倍波长；所得到的口径面总体尺寸为正方形，边长为8倍波长，厚度为0.06倍波长。

一种基于OAM正交模态复用的多通道多波束系统的复用方法，包括以下步骤：

信号发射端同时发射多个OAM模态正交的电磁波波束；发射端发射同向传播的携带有OAM模态+1，-1，+3，-3的四个电磁波波束；

多个OAM模态正交的电磁波波束同时照射至一个可对空间入射的电磁波进行任意相位控制的口径面；

所述口径面将空间同向传播的多个OAM模态正交的电磁波波束接收，经过相位调制后，分别转换为多个沿不同方向辐射的通道独立的电磁波波束。

作为本发明的进一步改进，电磁波透射过口径面后，转换为沿四个不同方位角方向传播的通道独立的电磁波波束；

经过相位调制后，沿不同方向辐射的电磁波波束分别对应入射的不同OAM模态的电磁波；沿不同方向辐射的电磁波波束通道独立；沿不同方向辐射的电磁波波束不携带OAM模态。

相对与现有技术，本发明具有如下有益效果：

本发明的系统针对涡旋电磁波接收存在的挑战，在无线通信的OAM复用上引入一个可对空间入射的电磁波进行任意相位控制的口径面。通过该口径面的相位分布设计，可将空间同向传播的多个OAM模态正交的电磁波波束接收，并经相位调制后，分别转换为多个沿不同方向辐射的通道独立的不携带OAM模态电磁波波束。相比于传统的OAM复用，本发明解决了涡旋电磁波远距离传播波束能量衰减以及波束对准的难题。也避免了涡旋电磁波模态判定的困难。同时，得到的多个出射波束通道独立，可满足对多个独立用户的无线覆盖。

附图说明

图1为本发明实施例所述基于OAM正交模态复用的多通道多波束示意图；

图2为本发明实施例所述的亚波长超表面单元结构示意图；

图3为本发明实施例所述的口径面相位分布设计；

图4为本发明实施例所述的口径面相位调控层的走线长短示意图；

图5为本发明实施例所述的口径面辐射层结构示意图；

图6为本发明实施例所述的通道独立的电磁波波束示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明实施例公开了一个基于OAM正交模态复用的多通道多波束系统，包括：

可同时产生+1，-1，+3，-3四个OAM模态正交的电磁波波束信号发射端101；

含有24×24个亚波长超表面单元的可对空间入射的电磁波进行任意相位控制的口径面102；

经过口径面相位调制后产生的四个沿不同方向辐射的通道独立的电磁波波束103。

其中，口径面102设置在信号发射端101上；四个沿不同方向辐射的通道独立的电磁波波束103从口径面102向上发射。

所述口径面包括M×N个亚波长超表面单元，其中M为超表面横向单元总数，N为超表面纵向单元总数。本发明实施例给出24×24个亚波长超表面单元。

具体的，信号发射端101由一个12元环形天线阵组成。该环形天线阵中每个阵元的激励幅度均相等；当沿顺时针方向每个阵元的激励相位相差30°时，产生携带+1阶OAM模态的涡旋电磁波；当沿顺时针方向每个阵元的激励相位相差-30°时，产生携带-1阶OAM模态的涡旋电磁波；当沿顺时针方向每个阵元的激励相位相差90°时，产生携带+3阶OAM模态的涡旋电磁波；当沿顺时针方向每个阵元的激励相位相差-90°时，产生携带-3阶OAM模态的涡旋电磁波。以上四个OAM模态正交的电磁波波束频率相同，极化相同，由于OAM模态的正交性通道独立。

进一步，可对空间入射的电磁波进行任意相位控制的口径面102上的亚波长超表面单元如图2所示，包括：耦合层201、相位调控层202、辐射层203及两层屏蔽层204。

耦合层201与一层屏蔽层204相对设置，下支柱一端与耦合层201连接，另一端穿过屏蔽层204与相位调控层202一端连接；

另一层屏蔽层204设置在相位调控层202上，另一层屏蔽层204与辐射层203相对设置，上支柱一端与相位调控层202另一端连接，上支柱另一端穿过第二屏蔽层204与辐射层203连接。

所述耦合层201将空间入射的电磁波耦合至传输线上；所述相位调控层202的走线长短可以灵活调节，相位调控层的走线越长，电磁波传输产生的相位延迟越大；相位调控层的走线越短，电磁波传输产生的相位延迟越小，从而实现对空间入射的电磁波的任意相位控制；所述辐射层203将经过相位延迟的电磁波再次辐射至空间；所述屏蔽层204将耦合层、相位调控层以及辐射层互相隔离，避免干扰。该亚波长超表面单元结构可以实现电磁波的低损耗透射及相位调控，透射损耗低于1dB，相位调控范围大于360°。

更进一步，如图2所示的辐射层203金属贴片结构为切角方形，可实现圆极化电磁波的出射；改变辐射层金属贴片结构为不切角方形后，可实现线极化电磁波的出射，可对出射电磁波的极化特性进行调控。

本实施例中，+1，-1，+3，-3四个OAM模态正交的涡旋电磁波透射过口径面后产生的四个电磁波波束的俯仰角与方位角分别为(30°，0°)，(30°，270°)，(30°，90°)，(30°，180°)。

更进一步，为实现经过口径面相位调制后，产生四个沿不同方向辐射的通道独立的电磁波波束，如图3所示，设计了口径面的相位分布并用亚波长超表面单元加以实现。口径面上每个亚波长超表面单元的相位响应表达为：

其中r为径向位置，

为方向角位置，l_m为OAM模态数，k_xm和k_ym分别是不同出射方向的电磁波波束对应的x和y坐标方向的波数，m为+1，-1，+3和-3。

更进一步，将所设计的口径面的相位分布逐一对应至含有24×24个亚波长超表面单元的口径面上。所述口径面相位响应由亚波长超表面单元相位调控层的走线长短决定，如图4所示，得到口径面上24×24个单元的相位调控层的走线长短。

本实施例中，12元环形天线阵产生的+1，-1，+3，-3四个OAM模态正交的涡旋电磁波为线极化。本发明提供两种具体的口径面设计，如图5所示，(a)为圆极化出射口径面，(b)为交叉线极化出射口径面，由于辐射层金属贴片结构和馈电点位置的不同，分别经过口径面相位调制后，产生四个俯仰角与方位角为(30°，0°)，(30°，270°)，(30°，90°)，(30°，180°)的交叉线极化电磁波波束与圆极化电磁波波束。亚波长超表面单元结构的总体尺寸为正方形，边长约为1/3倍波长，厚度约为0.06倍波长。所得到的口径面总体尺寸为正方形，边长约为8倍波长，厚度约为0.06倍波长。

本实施例中，如图6所示，分别给出UV坐标系下产生的四个俯仰角与方位角为(30°，0°)，(30°，270°)，(30°，90°)，(30°，180°)的电磁波波束。出射电磁波波瓣宽度与口径面电尺寸相关，更大尺寸的口径面可获得波瓣宽度更窄、增益更高的出射电磁波波束；出射电磁波波束方向不限制于本实施例的情况，在出射方向的半空间内均可有波束覆盖；出射电磁波波束个数不限制于本实施例的情况，为满足更多用户，可以利用更多OAM模态正交的涡旋电磁波，并且产生更多的出射电磁波波束。

本发明还提供一种基于OAM正交模态复用的多通道多波束系统的复用方法，包括以下步骤：

步骤A，信号发射端同时发射多个OAM模态正交的电磁波波束；发射端发射同向传播的携带有OAM模态+1，-1，+3，-3的四个电磁波波束。

步骤B，多个OAM模态正交的电磁波波束同时照射至一个可对空间入射的电磁波进行任意相位控制的口径面；电磁波透射过口径面后，转换为沿四个不同方位角方向传播的通道独立的电磁波波束。沿四个不同方位角方向传播的通道独立的电磁波波束不携带OAM模态，可分别使用简单的天线结构进行接收。

步骤C，所述口径面可将空间同向传播的多个OAM模态正交的电磁波波束接收，经过相位调制后，分别转换为多个沿不同方向辐射的通道独立的电磁波波束。

其中，步骤A中，所述多个OAM模态正交的电磁波波束在频率，极化，传播方向上均一致，由于OAM模态的正交性仍可各自携带独立通道的信息。

步骤B中，所述口径面由多个亚波长的电磁响应单元组成，每个电磁响应单元均可独立地对空间入射的电磁波进行任意相位控制。

步骤C中，经过相位调制后，沿不同方向辐射的电磁波波束分别对应入射的不同OAM模态的电磁波；沿不同方向辐射的电磁波波束通道独立；沿不同方向辐射的电磁波波束不携带OAM模态。

所述口径面具有极化调控能力，可对出射电磁波的极化特性进行调控。

进一步，出射的电磁波波束不携带OAM模态，波束形状为普通的笔形波束，可分别使用简单的天线结构进行接收。

更进一步，出射的电磁波波束的方向可以通过口径面的相位分布设计进行灵活调节，可满足对多个独立用户的波束覆盖。

更进一步，所述口径面具有极化调控能力，可对出射电磁波的极化特性进行调控。

综上所述，本发明多个OAM模态正交的电磁波波束在频率，极化，传播方向上均一致，由于OAM模态的正交性仍可各自携带独立通道的信息；所述口径面由多个亚波长的电磁响应单元组成，每个电磁响应单元均可独立地对空间入射的电磁波进行任意相位控制；所述沿不同方向出射的电磁波波束通道独立且不携带OAM模态。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于OAM正交模态复用的多通道多波束系统，其特征在于，包括：信号发射端(101)和口径面(102)；口径面(102)设置在电磁波波束信号发射端(101)上方；

所述电磁波波束信号发射端(101)用于同时产生多个OAM模态正交的电磁波波束；

所述口径面(102)具有阵列排布的亚波长超表面单元，用于对空间入射的电磁波进行任意相位控制，经过口径面(102)相位调制后产生多个沿不同方向辐射的通道独立的电磁波波束(103)。

2.根据权利要求1所述的基于OAM正交模态复用的多通道多波束系统，其特征在于，

所述信号发射端(101)由一个12元环形天线阵组成；所述环形天线阵中每个阵元的激励幅度均相等；信号发射端(101)能同时产生+1，-1，+3，-3四个OAM模态正交的电磁波波束；四个OAM模态正交的电磁波波束频率相同，极化相同。

3.根据权利要求2所述的基于OAM正交模态复用的多通道多波束系统，其特征在于，所述信号发射端(101)能同时产生+1，-1，+3，-3四个OAM模态正交的电磁波波束，具体为：

当沿顺时针方向每个阵元的激励相位相差30°时，产生携带+1阶OAM模态的涡旋电磁波；

当沿顺时针方向每个阵元的激励相位相差-30°时，产生携带-1阶OAM模态的涡旋电磁波；

当沿顺时针方向每个阵元的激励相位相差90°时，产生携带+3阶OAM模态的涡旋电磁波；

当沿顺时针方向每个阵元的激励相位相差-90°时，产生携带-3阶OAM模态的涡旋电磁波。

4.根据权利要求1所述的基于OAM正交模态复用的多通道多波束系统，其特征在于，所述亚波长超表面单元包括：耦合层(201)、相位调控层(202)、辐射层(203)及两层屏蔽层(204)；

第一屏蔽层设置在耦合层(201)上方，下支柱一端与耦合层(201)连接，另一端穿过第一屏蔽层与相位调控层(202)一端连接；

第二屏蔽层设置在相位调控层(202)上，辐射层(203)设置在第二屏蔽层上，上支柱一端与相位调控层(202)另一端连接，上支柱另一端穿过第二屏蔽层(204)与辐射层(203)连接。

5.根据权利要求4所述的基于OAM正交模态复用的多通道多波束系统，其特征在于，所述辐射层(203)金属贴片结构为切角方形或不切角方形。

6.根据权利要求1所述的基于OAM正交模态复用的多通道多波束系统，其特征在于，所述口径面(102)上每个亚波长超表面单元的相位响应表达为：

其中r为径向位置，

为方向角位置，l_m为OAM模态数，k_xm和k_ym分别是不同出射方向的电磁波波束对应的x和y坐标方向的波数，m为+1，-1，+3和-3。

7.根据权利要求1所述的基于OAM正交模态复用的多通道多波束系统，其特征在于，所述口径面包括M×N个亚波长超表面单元，其中M为超表面横向单元总数，N为超表面纵向单元总数。

8.根据权利要求1所述的基于OAM正交模态复用的多通道多波束系统，其特征在于，所述亚波长超表面单元结构的总体尺寸为正方形，边长为1/3倍波长，厚度为0.06倍波长；所得到的口径面总体尺寸为正方形，边长为8倍波长，厚度为0.06倍波长。

9.一种如权利要求1所述的基于OAM正交模态复用的多通道多波束系统的复用方法，其特征在于，包括以下步骤：

信号发射端同时发射多个OAM模态正交的电磁波波束；发射端发射同向传播的携带有OAM模态+1，-1，+3，-3的四个电磁波波束；

多个OAM模态正交的电磁波波束同时照射至一个可对空间入射的电磁波进行任意相位控制的口径面；

所述口径面将空间同向传播的多个OAM模态正交的电磁波波束接收，经过相位调制后，分别转换为多个沿不同方向辐射的通道独立的电磁波波束。

10.根据权利要求9所述的复用方法，其特征在于，电磁波透射过口径面后，转换为沿四个不同方位角方向传播的通道独立的电磁波波束；

经过相位调制后，沿不同方向辐射的电磁波波束分别对应入射的不同OAM模态的电磁波；沿不同方向辐射的电磁波波束通道独立；沿不同方向辐射的电磁波波束不携带OAM模态。

Images