CN116130980A - 一种用于混合模式涡旋电磁波的相控电磁表面设计方法 - Google Patents

一种用于混合模式涡旋电磁波的相控电磁表面设计方法 Download PDF

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CN116130980A CN202310214208.2A CN202310214208A CN116130980A CN 116130980 A CN116130980 A CN 116130980A CN 202310214208 A CN202310214208 A CN 202310214208A CN 116130980 A CN116130980 A CN 116130980A
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Abstract

本发明公开了一种用于混合模式涡旋电磁波的相控电磁表面设计方法，包括以下步骤：S1.发射端生成混合模式的涡旋电磁波；S2.计算混合模式涡旋电磁波在空气中的传播特性，分析涡旋电磁波发散后电场的幅相分布,即接收端反射型相控电磁表面B接收到的电场的幅相分布；S3.计算将反射型相控电磁表面B接收到的混合模式涡旋电磁波解调为平面波所需的相位补偿分布，并将该相位补偿分布作为反射型相控电磁表面B的设计结果。本发明将空间复合模式涡旋电磁波解调为平面电磁波的计算方法，给出了具有解调功能的反射型相控电磁表面相位补偿分布，支撑形成实时、高通量、高动态空间复用涡旋电磁波无线通信系统性能提升。

Description

一种用于混合模式涡旋电磁波的相控电磁表面设计方法
技术领域
本发明涉及电磁场与微波领域，特别是涉及一种用于解调混合模式涡旋电磁波的相控电磁表面天线设计方法。
背景技术
随着第五代通信、智能驾驶、物联网、人工智能等新技术的萌生，一方面极大的丰富人民的物质生活，另一方面加剧了无线通信技术的快速发展，随之引起移动终端和无线数据传输数量的爆发性增长，而电磁频谱资源又十分紧俏，如何在有限的电磁频谱空间当中提高无线系统频带利用率，提升无线信道系统容量是当前无线通信领域的热点和难点问题。传统采用频分(FDMA)、时分(TDMA)、码分(CDMA)等复用方式来提升频谱利用效率，而在4G、5G网络通信中逐步引入了多输入多输出技术(MIMO)和正交频分复用技术(OFDM)，随着无线通信复用技术的发展，频谱利用率已逐步逼近理论上限。根据香农定理，在不增加信道带宽等条件下，如何更加有效的增加系统信道容量迫在眉睫，因此，亟需探索新的空间电磁复用技术。由于携带有不同模式轨道角动量(OAM)的涡旋电磁波具有天然相互正交性的特点，而且轨道角动量不同模式的数值取值范围为(-∞，+∞)，理论上可拥有无限多种相互正交的辐射模式，在提高信道容量方向拥有极大的潜力，受到国内外专家和学者的广泛关注，涡旋电磁波天线作为产生涡旋电磁波的天线同样备受瞩目。
据调研，传统采用微带天线排列、螺旋相位板等方法来设计涡旋电磁波天线，随后新型电磁表面、特别是智能电磁表面被广泛研究，该表面具有对空间电磁波实时、灵活、便捷的调控能力，可实现对空间赋形波束的灵活扫描、模式切换等调控功能，被应用到涡旋电磁波的设计当中。然而，当前采用反射型相控电磁表面实现涡旋电磁波的设计中，主要聚焦在单一模式涡旋电磁波设计或涡旋多波束的设计当中，进一步的，单一模式涡旋电磁波辐射在进行信息传输时，由于涡旋电磁波存在发散角，导致后端接收系统或接收天线阵越来越大，不利于无线通信系统远距离传输。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于混合模式涡旋电磁波的相控电磁表面设计方法，将空间复合模式涡旋电磁波解调为平面电磁波，并给出了具有解调功能的反射型相控电磁表面相位补偿分布设计，实现空间涡旋电磁波生成、传播及解调，支撑形成实时、高通量、高动态空间复用涡旋电磁波无线通信系统性能提升。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种用于混合模式涡旋电磁波的相控电磁表面设计方法，设混合模式涡旋电磁波的收发系统由发射端及接收端两部分组成，其中发射端用于生成混合模式的涡旋电磁波并发送给接收端，接收端用于接收混合模式的涡旋电磁波并解调为平面波，发射端采用反射型相控电磁表面A作为天线，接收端采用反射型相控电磁表面B作为天线，所述设计方法包括以下步骤：
S1.发射端生成混合模式的涡旋电磁波；
S101.发射端生成正出射的混合模式的模式复用涡旋电磁波
设反射型相控电磁表面A中，位于第i列，第j行的单元ij的中心坐标为(xi，yj)；通过喇叭馈源产生的球面电磁波，照射至反射型相控电磁表面A单元ij的相位值为
Figure BDA0004114364210000021
Figure BDA0004114364210000022
其中，k0为馈源出射的电磁波的波数，rfij为馈源的相位中心与单元ij的中心间的欧氏距离；
通过遍历反射型相控电磁表面A的各个单元并进行相位值确定，得出反射型相控电磁表面A的入射相位分布矩阵
Figure BDA0004114364210000023
若需要该电磁波以混合模式的复用涡旋电磁波的形式正出射，则该出射涡旋电磁波的相位分布满足相位分布矩阵
Figure BDA0004114364210000024
其中p代表第p个模式的涡旋波，i为虚数单位，a为生成的混合涡旋波的模式数量，lp为第p种模式的涡旋电磁波的模式数，
Figure BDA0004114364210000025
为天线所有单元几何位置的方位角分布矩阵；则反射型相控电磁表面各单元所需补偿相位分布矩阵为
Figure BDA0004114364210000026
将各单元实际能实现的相位变化分布矩阵
Figure BDA0004114364210000027
与理想单元补偿相位分布矩阵
Figure BDA0004114364210000028
相对应；
最终发射反射型相控电磁表面A的整体相位分布矩阵为
Figure BDA0004114364210000029
对反射型相控电磁表面A的任一单元ij而言，其辐射电磁波的幅度值为
Figure BDA00041143642100000210
其中，rf为馈源至反射型相控电磁表面A几何中心的距离，rij为单元ij中心至反射型相控电磁表面A中心的距离，H为馈源距离反射型相控电磁表面A的高度值，馈源与单元的辐射方向图均采用cosine q模型，qf为由馈源方向图决定的指数系数，qe为由单元辐射方向图决定的指数系数；
在该相位分布下，反射型相控电磁表面A的表面电场相位分布满足
Figure BDA00041143642100000211
最终由反射型相控电磁表面A生成混合模式的模式复用涡旋电磁波；
发射端反射型相控电磁表面最终发射的涡旋电磁波电场的复数形式为
Figure BDA00041143642100000212
Figure BDA00041143642100000213
其中i为虚数单位，k0为自由空间的波数；
S2.计算混合模式涡旋电磁波在空气中的传播特性，分析涡旋电磁波发散后电场的幅相分布，即接收端反射型相控电磁表面B接收到的电场的幅相分布；
S201.设接收端的反射型相控电磁表面B位于第m列，第n行的单元mn的中心坐标为(xm，yn)，计算接收反射电磁表面B任一单元mn与发射天线A单元ij间的距离及矢量夹角，并计算反射型相控电磁表面B的单元接收到的由反射型相控电磁表面A的单元ij产生的电场的相位值：
对于接收端反射型相控电磁表面B单元mn，该单元与发射端反射型相控电磁表面A的单元ij间的距离为
Figure BDA0004114364210000031
其中，DTR为发射端反射型相控电磁表面A及接收端反射型相控电磁表面B之间的垂直距离，Δxi＝xm-xi、Δyj＝yn-yj分别为反射型相控电磁表面B单元mn与反射型相控电磁表面A单元ij间横纵坐标的差值；
反射型相控电磁表面A的单元ij与发射端反射型相控电磁表面B的单元mn的矢量夹角满足
Figure BDA0004114364210000032
则发射端反射型相控电磁表面A的每个单元产生的涡旋电磁波经空气传输至反射型相控电磁表面B的单元mn后，相位的变化量为k0*Rmn(i，j)，接收端反射型相控电磁表面B的单元mn接收到的由反射型相控电磁表面A的单元ij产生的电场的相位值为
Figure BDA0004114364210000033
Figure BDA0004114364210000034
S202.计算涡旋电磁波传播至反射型相控电磁表面B任一单元的具体幅相值：
将接收端反射型相控电磁表面单元的辐射模型近似为cosine q模型，其中q取通常量1，由单元的辐射方向图决定，则接收端反射型相控电磁表面B的单元mn所能接收到的电场幅值模型根据天线的远场传播模型建模为
Figure BDA0004114364210000035
进而得出：
该单元mn从发射端反射型相控电磁表面A的单元ij接收到的电场复数量为
Figure BDA0004114364210000036
Figure BDA0004114364210000037
通过对反射型相控电磁表面A的所有单元进行遍历，即得到反射型相控电磁表面B的单元mn所接收到的由反射型相控电磁表面A所有单元产生的电场；
对上述所有电场值进行复数值求和，得到该单元mn最终接收到的总电场复数值：
Figure BDA0004114364210000038
其中NA1为反射型相控电磁表面A单元的总列数，其中NA2为反射型相控电磁表面A单元的总行数；提取出该复数电场中的幅值及相位信息，即为该接收端反射型相控电磁表面单元接收到的电场的幅相值；
S203.进行遍历操作
对于反射型相控电磁表面B，对阵面B的每一个单元重复上述步骤进行遍历操作，最终得到反射型相控电磁表面B整体阵面接收到的电磁场的幅相分布矩阵Etotal；
S204.得出接收端的电场幅相分布
根据上述步骤中计算得出的接收端反射型相控电磁表面B的电场幅相分布，提取出接收端反射型相控电磁表面B复数量的相位分布信息矩阵为：
Figure BDA0004114364210000041
将提取得到的结果作为接收端反射型相控电磁表面B接收到的涡旋电磁波相位信息。
S3.计算将反射型相控电磁表面B接收到的混合模式涡旋电磁波解调为平面波所需的相位补偿分布，并将该相位补偿分布作为反射型相控电磁表面B的设计结果。
S301.计算解调后平面电磁波的理论相位分布：
计算接收端反射型相控电磁表面B斜出射平面电磁波时每个单元mn所需实现的相位分布，其中
Figure BDA0004114364210000042
其中k为斜出射的平面电磁波波束数量，θp、φp分别为斜出射平面电磁波波束的方位角参数，通过对反射型相控电磁表面B的所有单元遍历上述计算，即得出反射型相控电磁表面B所需的相位分布矩阵
Figure BDA0004114364210000043
S302.计算接收端反射型相控电磁表面B的相位补偿值：
计算反射型相控电磁表面B中单元mn所需补偿的相位大小为
Figure BDA0004114364210000044
Figure BDA0004114364210000045
其中
Figure BDA0004114364210000046
表示相位分布信息矩阵
Figure BDA0004114364210000047
中第m行第n列的元素；
S303.在m＝1，2，..B1，n＝1，2，..B2时，对于m和n的任一取值组合，按照步骤S301～S302上述进行遍历计算，得到所有单元所需补偿的相位大小，即反射型相控电磁表面B的相位补偿分布。
本发明的有益效果是：本发明将空间复合模式涡旋电磁波解调为平面电磁波，并给出了具有解调功能的反射型相控电磁表面相位补偿分布设计，实现空间涡旋电磁波生成、传播及解调，支撑形成实时、高通量、高动态空间复用涡旋电磁波无线通信系统性能提升。
附图说明
图1本发明的方法流程图；
图2混合模式涡旋电磁波的发射系统A模型示意图；
图3发射系统混合模式涡旋电磁波方向图俯视图；
图4发射系统远场区截面内电磁场的幅度及相位分布
图5混合模式涡旋电磁波各模式的纯度分布；
图6收发端垂直距离为45cm时接收端天线B接收到的电场幅度分布；
图7收发端垂直距离为45cm时接收端天线B接收到的电场相位分布；
图8混合模式涡旋电磁波生成、传播与解调系统模型示意图；
图9混合模式涡旋电磁波解调后远场仿真3D方向图；
图10混合模式涡旋电磁波解调后远场仿真2D方向图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
本发明中解调混合模式涡旋电磁波的接收系统由涡旋电磁波发射端A及接收端B两部分共同组成，其中发射端A用于生成混合模式涡旋电磁波，接收端B用于将混合模式涡旋电磁波解调为平面波，如图1所示，所述相控电磁表面天线设计方法包括以下步骤：
步骤1：生成混合模式的模式复用涡旋电磁波
本步骤共包括构建发射端电磁表面A进而生成混合模式涡旋电磁波与混合模式涡旋电磁波的纯度检测两部分。
步骤(1-1)：搭建发射端电磁表面A，生成混合模式涡旋电磁波
如图2所示，发射端天线A由喇叭馈源及反射型相控电磁表面A共同组成，将喇叭馈源置于发射端反射型相控电磁表面A上方，发射端反射型相控电磁表面A的单元周期为10mm，边长为D＝20*p＝200mm，馈源高度由反射型相控电磁表面A的口径效率决定，发射端反射型相控电磁表面天线的照射效率计算公式为：
Figure BDA0004114364210000051
溢出效率公式为：
Figure BDA0004114364210000052
其中r0为馈源到反射型相控电磁表面A中心的距离，r为馈源到反射型相控电磁表面上单元的距离，s为单元到反射型相控电磁表面A中心的距离，qf为由馈源方向图决定的指数系数，qe为由单元辐射方向图决定的指数系数。
发射端反射型相控电磁表面天线最终的效率大小计算公式为：ηtotal＝ηillumination*ηspilover。经过计算，最终选择将馈源喇叭置于距离发射端反射型相控电磁表面200mm处，以获得最大的辐射效率。之后，根据喇叭馈源的位置信息等参数以及发射涡旋电磁波的相位需求计算发射端反射型相控电磁表面的相位分布，其中电磁波经喇叭天线以球面波的形式传输至发射端天线，设反射型相控电磁表面A中，位于第i列，第j行的单元ij的中心坐标为(xi，yj)，则喇叭馈源产生的球面电磁波照射至反射型相控电磁表面A单元ij的相位值为
Figure BDA0004114364210000061
其中，k0为馈源出射的电磁波的波数，rfij为馈源的相位中心与单元ij的中心间的欧氏距离；通过遍历反射型相控电磁表面A的各个单元并进行上述计算，可以得出反射型相控电磁表面A的入射相位分布矩阵
Figure BDA0004114364210000062
而发射端天线为了产生模式为l1＝-1及l2＝-2的涡旋电磁波，需要实现的相位分布为：
Figure BDA0004114364210000063
其中p代表第p个模式的涡旋波，i为虚数单位，lp为第p种模式的涡旋电磁波的模式数，
Figure BDA0004114364210000064
为天线所有单元几何位置的方位角分布矩阵。所以最终发射端反射型相控电磁表面天线表面的相位分布为：
Figure BDA0004114364210000065
将各单元实际能实现的相位变化分布矩阵
Figure BDA0004114364210000066
与理想单元补偿相位分布矩阵
Figure BDA0004114364210000067
相对应，反射型相控电磁表面A的整体相位分布矩阵为
Figure BDA0004114364210000068
最终该发射端反射型相控电磁表面系统发射模式为－1及－2的涡旋电磁波。该发射系统的发射结果俯视图如图3所示；
在本申请的实施例中，可以对生成的混合模式涡旋电磁波的纯度进行分析：
涡旋电磁波具有固有的正交性，即
Figure BDA0004114364210000069
相同模式的涡旋电磁波的相位分布进行正交积分后的结果为1，否则为0；
因此，通过对闭合曲线上的相位分布进行正交积分以实现对涡旋电磁波的模式分解，得出生成的混合模式涡旋电磁波中各模式的纯度及其具体占比；
为了检测涡旋电磁波的纯度值，需要对涡旋电磁波在近场范围内的相位分布进行分析，首先需要确定一观测平面，通过测量与分析该观测平面上的电场相位分布，进而得出涡旋电磁波的纯度谱；
该观测平面需位于反射型相控电磁表面A的近场范围内，该平面的几何中心为涡旋电磁波的相位奇点处，且该平面与涡旋电磁波的出射方向相垂直；
通过测量得出该观测平面上电场的幅度与分布，检测该平面上电场幅度最大值的位置，并以该平面的几何中心为圆心，以电场幅度最大值所在位置为半径取以圆形曲线，该圆形曲线为数据处理时所用到的积分曲线，
Figure BDA00041143642100000610
为该曲线上的方位角，
Figure BDA00041143642100000611
为该积分曲线上的电场相位分布，
Figure BDA00041143642100000612
为模式为l的涡旋电磁波在理论中的理想相位分布，根据涡旋电磁波的正交性，将实际相位分布
Figure BDA00041143642100000613
与理论相位分布值
Figure BDA00041143642100000614
做正交积分，即可得出该涡旋电磁波中模式为l的涡旋电磁波相位占比为：
Figure BDA00041143642100000615
进而得出该涡旋电磁波的纯度谱为：
Figure BDA0004114364210000071
在本申请的实施例中，在距离发射端反射型相控电磁表面A垂直距离为600mm处取一正方形平面，该平面的边长为300mm，该平面的电场幅度与相位分布如图4所示。以该平面的中心为原点，以电场幅度最大值的坐标为半径，选取该圆环作为积分路径。对该圆环路径上的电场相位幅度进行积分计算，即可得出发射端反射型相控电磁表面生成的混合模式涡旋电磁波的纯度分布谱，如图5所示，由图可以看出本实例中生成的混合模式涡旋电磁波的纯度主要集中于-1与-2模式。
步骤2：计算混合模式涡旋电磁波在空气中的传播特性，预设发射端反射阵天线A与接收端反射阵天线B的垂直距离为450mm。
步骤(2-1)：计算接收端反射型相控电磁表面任一单元接收到的电场强度
由预设条件知DTR＝450mm，该反射型相控电磁表面B结构为圆形，设所采用的单元周期为p＝10mm，阵面直径为26*p＝260mm。反射型相控电磁表面B位于第m列，第n行的单元的中心坐标为(xm，yn)，则该单元mn的中心与发射端反射型相控电磁表面A上发射单元ij的距离可由公式
Figure BDA0004114364210000072
求得，接收单元mn与发射单元ij中心连线的向量矢量夹角为
Figure BDA0004114364210000073
进而可以得出接收端反射型相控电磁表面B单元mn所能接收到的来自发射端反射型相控电磁表面A单元ij的电磁波的电场复数值为
Figure BDA0004114364210000074
对该电场复数值进行矢量求和，即可得出接收单元MN所接收到的来自反射型相控电磁表面A整体阵面的电场矢量值为
Figure BDA0004114364210000075
其中NA1为反射型相控电磁表面A单元的总列数，其中NA2为反射型相控电磁表面A单元的总行数。
步骤(2-2)：对上述步骤进行遍历及重复，进而由接收端反射型相控电磁表面B的单元接收到的电磁场分布得出整体阵面的电磁波幅相分布矩阵Etotal。最终接收端反射型相控电磁表面B整体阵面接收到的电磁场的幅度及相位分别分布如图6、图7所示。
步骤3：计算将反射型相控电磁表面B接收到的混合模式涡旋电磁波解调为平面波所需的相位补偿分布；
步骤(3-1)：由上述步骤中得出的接收端反射型相控电磁表面B接收到的电场强度Etotal中分离出电场的幅度Amrece及相位
Figure BDA0004114364210000076
信息，并设接收端天线将接收到的混合模式涡旋电磁波解调为沿φ＝0°，θ＝±30°出射的平面电磁波。则反射型相控电磁表面任一单元mn所需实现的相位分布为
Figure BDA0004114364210000081
最终可确定接收天线每个单元所需补偿的相位值为
Figure BDA0004114364210000082
在本申请的实施例中，在获取每个单元所需补偿的相位值，考虑到反射型相控电磁表面单元的相位补偿值
Figure BDA0004114364210000083
与单元的尺寸a满足
Figure BDA0004114364210000084
其中ka与kb为由单元特性决定的比例系数，以常见方形微带贴片单元为例，尺寸a对应于方形金属贴片的边长。对圆形微带贴片单元而言，尺寸a指圆形金属贴片的半径。根据计算得出的反射型相控电磁表面各单元所需补偿的相位值大小，还可以得出该反射型电磁表面各个单元所需的实际尺寸，并根据单元的实际尺寸数据完成反射型相控电磁表面天线的设计。根据该尺寸数据在仿真软件中完成整体阵列的建模操作，完成反射型相控电磁表面天线的设计，按计算得到的单元尺寸在ANSYS HFSS软件中完成接收天线的建模。最终建立完成的系统模型如图8所示，该系统由发射端及接收端反射型相控电磁表面共同组成。
在本申请的实施例中，可以计算发射涡旋电磁波在接收端的相位分布外，还可以计算发射端反射型相控电磁表面发射的任意形式的电磁波及空气传播后接收端接收到的电场辐相分布。该计算过程由MATLAB程序计算得出，相较于电磁仿真软件，该程序的计算速度更快，可以快速灵活的修改条件来对天线性能进行优化，避免了利用电磁仿真软件计算时间长，导致优化不便的问题，同时该方法对于接收及发射所使用的天线的种类、大小、距离都没有限制，具有通用性，整个数据计算过程易于编程实现。
在本申请的实施例中，进行建模于仿真并验证该设计方法的效果：如图9、图10所示，可以看出该接收天线将原本发射天线发射的混合涡旋电磁波成功解调为两束以θ＝±30°斜出射的平面波，经过合理相位补偿，接收端电磁表面的反射波束呈现为两束高增益的笔形波束辐射。该天线两波束的最大增益值分别为18dB、17.37dB，两波束间的幅度差值为0.63dB，两者幅度值基本持平；两者的3dB波束宽度分别为7.4°、6.9°；归一化后旁瓣电平最大值为-7.4dB。该接收反射型相控电磁表面天线的反射波束能量集中，增益较大，加工简单，性能优良。
尽管为了说明的目的，已描述了本发明的示例性实施方式，但是本领域的技术人员将理解，不脱离所附权利要求中公开的发明的范围和精神的情况下，可以在形式和细节上进行各种修改、添加和替换等的改变，而所有这些改变都应属于本发明所附权利要求的保护范围，并且本发明要求保护的方法中的各个步骤，可以以任意组合的形式组合在一起。因此，对本发明中所公开的实施方式的描述并非为了限制本发明的范围，而是用于描述本发明。相应地，本发明的范围不受以上实施方式的限制，而是由权利要求或其等同物进行限定。

Claims (4)

1.一种用于混合模式涡旋电磁波的相控电磁表面设计方法，其特征在于：设混合模式涡旋电磁波的收发系统由发射端及接收端两部分组成，其中发射端用于生成混合模式的涡旋电磁波并发送给接收端，接收端用于接收混合模式的涡旋电磁波并解调为平面波，发射端采用反射型相控电磁表面A作为天线，接收端采用反射型相控电磁表面B作为天线，所述设计方法包括以下步骤：
S1.发射端生成混合模式的涡旋电磁波；
S2.计算混合模式涡旋电磁波在空气中的传播特性，分析涡旋电磁波发散后电场的幅相分布,即接收端反射型相控电磁表面B接收到的电场的幅相分布；
S3.计算将反射型相控电磁表面B接收到的混合模式涡旋电磁波解调为平面波所需的相位补偿分布，并将该相位补偿分布作为反射型相控电磁表面B的设计结果。
2.根据权利要求1所述的一种用于混合模式涡旋电磁波的相控电磁表面设计方法，其特征在于：所述步骤S1包括以下子步骤：
S101.发射端生成正出射的混合模式的模式复用涡旋电磁波
设反射型相控电磁表面A中，位于第i列，第j行的单元ij的中心坐标为(xi，yj)；通过喇叭馈源产生的球面电磁波，照射至反射型相控电磁表面A单元ij的相位值为
Figure FDA0004114364200000011
Figure FDA0004114364200000012
其中，k0为馈源出射的电磁波的波数，rfij为馈源的相位中心与单元ij的中心间的欧氏距离；
通过遍历反射型相控电磁表面A的各个单元并进行相位值确定，得出反射型相控电磁表面A的入射相位分布矩阵
Figure FDA0004114364200000013
若需要该电磁波以混合模式的复用涡旋电磁波的形式正出射，则该出射涡旋电磁波的相位分布满足相位分布矩阵
Figure FDA0004114364200000014
其中p代表第p个模式的涡旋波，i为虚数单位，a为生成的混合涡旋波的模式数量，lp为第p种模式的涡旋电磁波的模式数，
Figure FDA0004114364200000015
为天线所有单元几何位置的方位角分布矩阵；则反射型相控电磁表面各单元所需补偿相位分布矩阵为
Figure FDA0004114364200000016
将各单元实际能实现的相位变化分布矩阵
Figure FDA0004114364200000017
与理想单元补偿相位分布矩阵
Figure FDA0004114364200000018
相对应；
最终发射反射型相控电磁表面A的整体相位分布矩阵为
Figure FDA0004114364200000019
对反射型相控电磁表面A的任一单元ij而言，其辐射电磁波的幅度值为
Figure FDA00041143642000000110
其中，rf为馈源至反射型相控电磁表面A几何中心的距离，rij为单元ij中心至反射型相控电磁表面A中心的距离，H为馈源距离反射型相控电磁表面A的高度值，馈源与单元的辐射方向图均采用cosine q模型，qf为由馈源方向图决定的指数系数，qe为由单元辐射方向图决定的指数系数；
在该相位分布下，反射型相控电磁表面A的表面电场相位分布满足
Figure FDA0004114364200000021
最终由反射型相控电磁表面A生成混合模式的模式复用涡旋电磁波；
发射端反射型相控电磁表面最终发射的涡旋电磁波电场的复数形式为
Figure FDA0004114364200000022
Figure FDA0004114364200000023
其中i为虚数单位，k0为自由空间的波数。
3.根据权利要求1所述的一种用于混合模式涡旋电磁波的相控电磁表面设计方法，其特征在于：所述步骤S2包括以下子步骤：
S201.设接收端的反射型相控电磁表面B位于第m列，第n行的单元mn的中心坐标为(xm,yn)，计算接收反射电磁表面B任一单元mn与发射天线A单元ij间的距离及矢量夹角，并计算反射型相控电磁表面B的单元接收到的由反射型相控电磁表面A的单元ij产生的电场的相位值:
对于接收端反射型相控电磁表面B单元mn，该单元与发射端反射型相控电磁表面A的单元ij间的距离为
Figure FDA0004114364200000024
其中，DTR为发射端反射型相控电磁表面A及接收端反射型相控电磁表面B之间的垂直距离，Δxi＝xm-xi、Δyj＝yn-yj分别为反射型相控电磁表面B单元mn与反射型相控电磁表面A单元ij间横纵坐标的差值；
反射型相控电磁表面A的单元ij与发射端反射型相控电磁表面B的单元mn的矢量夹角满足
Figure FDA0004114364200000025
则发射端反射型相控电磁表面A的每个单元产生的涡旋电磁波经空气传输至反射型相控电磁表面B的单元mn后，相位的变化量为k0*Rmn(i,j)，接收端反射型相控电磁表面B的单元mn接收到的由反射型相控电磁表面A的单元ij产生的电场的相位值为
Figure FDA0004114364200000026
Figure FDA0004114364200000027
S202.计算涡旋电磁波传播至反射型相控电磁表面B任一单元的具体幅相值：
将接收端反射型相控电磁表面单元的辐射模型近似为cosine q模型，其中q取通常量1，由单元的辐射方向图决定，则接收端反射型相控电磁表面B的单元mn所能接收到的电场幅值模型根据天线的远场传播模型建模为
Figure FDA0004114364200000028
进而得出：
该单元mn从发射端反射型相控电磁表面A的单元ij接收到的电场复数量为
Figure FDA0004114364200000029
Figure FDA0004114364200000031
通过对反射型相控电磁表面A的所有单元进行遍历，即得到反射型相控电磁表面B的单元mn所接收到的由反射型相控电磁表面A所有单元产生的电场；
对上述所有电场值进行复数值求和，得到该单元mn最终接收到的总电场复数值：
Figure FDA0004114364200000032
其中NA1为反射型相控电磁表面A单元的总列数，其中NA2为反射型相控电磁表面A单元的总行数；提取出该复数电场中的幅值及相位信息，即为该接收端反射型相控电磁表面单元接收到的电场的幅相值；
S203.进行遍历操作
对于反射型相控电磁表面B，对阵面B的每一个单元重复上述步骤进行遍历操作，最终得到反射型相控电磁表面B整体阵面接收到的电磁场的幅相分布矩阵Etotal；
S204.得出接收端的电场幅相分布
根据上述步骤中计算得出的接收端反射型相控电磁表面B的电场幅相分布，提取出接收端反射型相控电磁表面B复数量的相位分布信息矩阵为：
Figure FDA0004114364200000033
将提取得到的结果作为接收端反射型相控电磁表面B接收到的涡旋电磁波相位信息。
4.根据权利要求1所述的一种用于解调混合模式涡旋电磁波的相控电磁表面天线设计方法，其特征在于：所述步骤S3包括：
S301.计算解调后平面电磁波的理论相位分布:
计算接收端反射型相控电磁表面B斜出射平面电磁波时每个单元mn所需实现的相位分布，其中
Figure FDA0004114364200000034
其中K为斜出射的平面电磁波波束数量，θp、φp分别为斜出射平面电磁波波束的方位角参数，通过对反射型相控电磁表面B的所有单元遍历上述计算，即得出反射型相控电磁表面B所需的相位分布矩阵
Figure FDA0004114364200000035
S302.计算接收端反射型相控电磁表面B的相位补偿值:
计算反射型相控电磁表面B中单元mn所需补偿的相位大小为
Figure FDA0004114364200000036
Figure FDA0004114364200000037
其中
Figure FDA0004114364200000038
表示相位分布信息矩阵
Figure FDA0004114364200000039
中第m行第n列的元素；
S303.在m＝1,2,…B1，n＝1,2,…B2时，对于m和n的任一取值组合，按照步骤S301～S302上述进行遍历计算，得到所有单元所需补偿的相位大小，即反射型相控电磁表面B的相位补偿分布。
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