一种圆极化涡旋电磁波产生方法技术

一种圆极化涡旋电磁波产生方法，包括步骤如下：(1)设置参数；(2)计算馈源到反射阵表面的空间相位延迟分布；(3)计算反射阵表面的期望相位分布，使得天线能够辐射沿着

A circular polarized vortex electromagnetic wave generation method

A method for generating circularly polarized eddy electromagnetic waves consists of the following steps: (1) setting parameters; (2) calculating the spatial phase delay distribution from the feed to the reflecting array surface; (3) calculating the desired phase distribution on the reflecting array surface so that the antenna can radiate along

【技术实现步骤摘要】
一种圆极化涡旋电磁波产生方法
本专利技术属于天线
，涉及一种圆极化涡旋电磁波产生方法。
技术介绍
随着极化复用、正交频分复用、码分多址和同频双工等各种复用技术日趋成熟，如何进一步提高频谱利用率和编码效率成为当今无线通信领域的一个研究热点。轨道角动量可以为无线电复用技术提供一个新的复用维度。理论上，单个频率的电磁波具有无穷多个OAM模态，每个模态都可以独立传输信息，实现所谓的“态分复用”。OAM通信系统的信道具有无穷多个维度，因此可以增加无线电通信、光通信以及量子通信的信道容量，具有容量大和保密性强等优点，并且能够用于超分辨率成像等多种用途。人们正在研究在通信系统中使用轨道角动量来提高频谱效率和系统容量的方法。目前，涡旋电磁波的产生方式主要有：相控阵天线、透射式螺旋相位板、螺旋状反射面与时间调制阵列等。相控阵天线需要使用移相器来独立控制每个天线单元的辐射相位，时间调制阵列天线需要使用高速开关来严格控制每个天线单元的通断，因此这两种阵列天线的系统构成都较为复杂，不适用于民用通信领域。透射式螺旋相位板和螺旋状反射面天线需要将相位板(或反射面)划分为若干个具有不同高度差的蝶形扇面，因此加工实现难度较大。微带反射阵天线具备反射面天线结构简单的优点，同时还具备相控阵天线独立相位控制的优点。此外，微带反射阵天线可以利用PCB技术加工实现，因此加工成本低廉、装配简单。
技术实现思路
本专利技术所解决的技术问题是：克服目前基于相控阵体制与反射面天线的圆极化涡旋电磁波产生装置结构复杂、加工难度大与转化效率低的问题，本专利技术提供了一种圆极化涡旋电磁波产生方法，系统简单，可以产生指向期望方向、具有期望模态数的涡旋电磁波，从而降低了圆极化涡旋电磁波产生装置的结构复杂度与加工难度。本专利技术所采用的技术方案是：一种圆极化涡旋电磁波产生方法，包括步骤如下：(1)以反射阵阵面为中心建立直角坐标系oxyz，设置工作频率f、阵列单元行数M、阵列单元列数N、单元行间距dx、单元列间距dy、期望的轨道角动量模态L、馈源位置坐标(xf，yf，zf)、期望波束的辐射方向M、N均为正整数；θd为期望波束的方向与+z轴的夹角，为期望波束的方向在xoy平面上的投影向量与+x轴的夹角；(2)计算馈源到反射阵表面的空间相位延迟分布；(3)计算反射阵表面的期望相位分布，使得天线能够辐射沿着方向的涡旋电磁波；(4)计算反射阵单元的旋转角度分布；(5)根据反射阵单元的旋转角度，以单元的几何中心作为旋转中心点对反射单元进行旋转，保证馈源天线的相位中心与指定位置重合，建立反射阵面的全波仿真模型；(6)对反射阵全波仿真模型进行数值计算，计算得到反射阵的幅度方向图和相位方向图全波仿真结果。所述步骤(2)的具体步骤如下：设第(m,n)个反射阵单元的坐标为(xmn,ymn,zmn)，以反射阵面中心点为参考相位0，利用射线追踪法得到从馈源相位中心到第(m,n)个反射阵单元处的入射空间相位其中，k为自由空间中电磁波的波数，k＝2π/λ；m＝1,2,3,...,M、n＝1,2,3,...,N；λ为自由波长。所述步骤(3)中，第(m,n)个反射阵单元的期望相位phase_dmn的表达式为：其中，φmn为第(m,n)个反射阵单元的方位角。所述步骤(4)中，第(m,n)个反射阵单元的几何旋转角度αmn的计算公式如下：其中，-90°≤αmn<90°。所述反射阵面包括若干尺寸相同、旋转角度不同的圆极化反射阵单元，圆极化反射阵单元为利用印刷电路板技术刻蚀在双层覆铜介质基板上的“工”字形金属条带。所述馈源采用圆极化角锥喇叭天线或圆极化微带天线。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术方法中，圆极化角锥喇叭馈源天线采用空间馈电方式对圆极化反射单元进行照射，从而在反射阵面上激励起辐射电流，因此不需要额外的馈电网络与合成网络。本专利技术方法具有原理简单、成本低、结构紧凑、热损耗小、应用方便等特点，非常适用于大口径、高增益阵列天线。(2)本专利技术方法中，通过调整圆极化反射单元的旋转角度来调整其反射相位，从而产生期望指向的期望模态涡旋电磁波，因此不需要传统的微波移相器。这种相位控制方式具有结构简单、控制精度高的优点，适用于大口径阵列，具有明显的实用性。(3)本专利技术方法中，馈源采用单偏置结构，可以根据期望波束指向灵活地调整馈源天线的空间位置以降低馈源遮挡效应的影响，从而提高口径利用率与涡旋电磁波转化效率。(4)本专利技术方法中，所有反射单元的几何尺寸相同，仅仅具有不同的旋转角度，这极大地降低了反射单元的设计难度。附图说明图1为本专利技术的结构示意图；图2(a)、(b)为反射阵单元的结构图；图3为反射阵单元的反射系数仿真结果图；图4为反射阵单元的轴比仿真结果图；图5为本专利技术圆极化涡旋电磁波产生方法的流程图；图6为实施例一馈源到反射阵表面的空间相位延迟分布图；图7为实施例一反射阵表面的期望相位分布图；图8为实施例一反射阵单元的旋转角度分布图；图9为实施例一反射阵面全波仿真模型图；图10(a)为实施例一反射阵的幅度方向图3-D显示图；图10(b)为实施例一反射阵的幅度方向俯视图；图11为实施例一反射阵的相位方向图；图12为实施例二馈源到反射阵表面的空间相位延迟分布图；图13为实施例二反射阵表面的期望相位分布图；图14为实施例二反射阵单元的旋转角度分布图；图15为实施例二反射阵面全波仿真模型图；图16(a)为实施例二反射阵的幅度方向图3-D显示图；图16(b)为实施例二反射阵的幅度方向图俯视图；图17为实施例二反射阵的相位方向图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进行进一步说明。如图5所示，为圆极化涡旋电磁波产生方法的流程图。一种圆极化涡旋电磁波产生方法，包括步骤如下：步骤1、设置输入条件设定工作频率为f，则自由波长为λ＝c/f。如图1所示，微带反射阵的反射单元按照M×N的矩形栅格阵列，选取微带反射阵的几何中心为坐标原点，令微带反射阵位于xoy面内。微带反射阵单元沿着x轴的单元间距为dx，沿着y轴的单元间距为dy，设馈源的相位中心坐标为(xf,yf,zf)。其中，M、N均为正整数；dx、dy、xf、yf、zf均为实数，且dx<λ，dy<λ。c为自由空间中的光速。第(m,n)个反射阵单元的坐标可以表示为(xmn,ymn,zmn)，则该坐标可以分别表示为其中，m取为[1，M]区间内的整数，n取为[1，N]区间内的整数。反射阵天线的馈电方式一般分为正馈或偏馈两种形式。其中，|xf|+|yf|＝0表示馈源的馈电方式为正馈；|xf|+|yf|≠0表示馈源的馈电方式为偏馈。步骤2、计算馈源到反射阵表面的空间相位延迟从馈源相位中心到第(m,n)个反射阵单元处的入射相位，可以利用射线追踪法得到(以反射阵面中心点为参考相位0)其中，k为自由空间中电磁波的波数，k＝2π/λ。步骤3、计算反射阵表面的期望相位在球坐标系下，第(m,n)单元的方位角为φmn＝angle(xmn+jymn)(3)其中，angle(·)为相角函数，可以计算复数的相角。设需要产生的圆极化涡旋电磁波的轨道角动量的本征模态为整数L，则第(m,n)单元的期望相位phase_dmn的表达式为phase_dmn＝Lφmn(4)此本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种圆极化涡旋电磁波产生方法，其特征在于，包括步骤如下：(1)以反射阵阵面为中心建立直角坐标系oxyz，设置工作频率f、阵列单元行数M、阵列单元列数N、单元行间距dx、单元列间距dy、期望的轨道角动量模态L、馈源位置坐标(xf，yf，zf)、期望波束的辐射方向

【技术特征摘要】
1.一种圆极化涡旋电磁波产生方法，其特征在于，包括步骤如下：(1)以反射阵阵面为中心建立直角坐标系oxyz，设置工作频率f、阵列单元行数M、阵列单元列数N、单元行间距dx、单元列间距dy、期望的轨道角动量模态L、馈源位置坐标(xf，yf，zf)、期望波束的辐射方向M、N均为正整数；θd为期望波束的方向与+z轴的夹角，为期望波束的方向在xoy平面上的投影向量与+x轴的夹角；(2)计算馈源到反射阵表面的空间相位延迟分布；(3)计算反射阵表面的期望相位分布，使得天线能够辐射沿着方向的涡旋电磁波；(4)计算反射阵单元的旋转角度分布；(5)根据反射阵单元的旋转角度，以单元的几何中心作为旋转中心点对反射单元进行旋转，保证馈源天线的相位中心与指定位置重合，建立反射阵面的全波仿真模型；(6)对反射阵全波仿真模型进行数值计算，计算得到反射阵的幅度方向图和相位方向图全波仿真结果。2.根据权利要求1所述的一种圆极化涡旋电磁波产生方法，其特征在于：所述步骤(2)的具体步骤如下：设第(m,n)个反射阵单元的坐标为(xmn,ymn,zmn)，以反射阵面中...

【专利技术属性】
技术研发人员：王建晓，尚社，宋大伟，孙文锋，李栋，罗熹，温媛媛，范晓彦，
申请(专利权)人：西安空间无线电技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61