一种用于轨道角动量无线通信模式的四维天线阵制造技术

本发明专利技术公开了一种用于轨道角动量无线通信模式的四维天线阵,这种四维天线阵形式可以同时产生多种轨道角动量(OAM)模式的方法。四维圆环天线阵基本结构包括天线单元、高速射频开关、功分器和FPGA电路板等。本发明专利技术最大的创新在于考虑到轨道角动量模式弱场区域的存在对模式传输距离的影响，提出针对四维圆环天线阵同时产生多种OAM模式这一方法采用“‑1—1”开关形式与“0—1”开关形式相比具有明显优势，并且给出采用“‑1—1”开关形式下的最佳时序，保证每个开关在一个时间周期内按顺序导通至状态“1”，并且每个开关导通至状态“1”的时间长度相同。针对弱场区域对OAM模式传输的影响给出接收区域的大小、接收区域相对于天线距离以及准确的计算模式数三者之间的关系，以便于准确接收需要的模式。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于天线
，涉及到四维天线阵，具体涉及一种用于轨道角动量无线通信模式的四维天线阵。
技术介绍
传统天线阵可以被看作是分布于三维空间的辐射源。四维天线阵是将时间变量作为第四维参数引入到传统天线阵中而形成的一种新型阵列天线。它可以将传统天线阵中的阵元幅度和相位加权通过时间加权的方式实现，从而大大简化了馈电网络的设计。相对于传统天线阵，四维天线阵具有很多的设计优点，例如在阵列单元等幅同相激励下可以实现低副瓣方向图、无移相器波束扫描、多波束形成、宽角范围测向、发射信号的方向调制等。在硬件结构上，四维天线阵是在传统天线阵中增加一组高速射频开关而构成的，通过开关的控制可以快速准确地调节四维天线阵的辐射特性，具有极大的设计灵活性。在四维天线阵中，每个天线单元除了与可变衰减器和移相器相连接之外，还分别与一个高速射频开关相连接。每个高速射频开关的工作状态(导通和断开)则由复杂可编程逻辑器件(CPLD)控制。对于一个已经设计好的工作时序，我们可以向CPLD写入相应的程序，使其输出控制高速射频开关工作状态的逻辑信号，从而实现对每个天线单元接收信号的时间调制。最后，将N个通道的信号进行叠加并输出。轨道角动量(OAM)是经典力学和量子力学的基本物理量，其中OAM与光子的空间分布有关，是螺旋相位射线束的自然特性。在1992年荷兰物理学家L.Allen首次发现拉盖尔高斯涡旋光束，这种光束的波前是螺旋形状的，并且含有光强为0的奇点。人们得出涡旋光束具有传统通信方式上所用的载波光束没有的特性，具有一种全新的自由度，即轨道角动量(OAM)。利用OAM可以获得需要的电磁涡旋波，在正常电磁波上添加一个与空间相位角有关的旋转相位因子ejlθ，即可将正常的电磁波转变为电磁涡旋波。由于不同模式之间的正交性，所以在同一带宽内可以并行传输多路的OAM波，并且不同模式的OAM波相互之间不会产生干扰，频谱的利用率得到显著的提高。华中科技大学屈代明等人在公开号CN103812543A中提出一种利用轨道角动量提高无线通信容量的方法，通过轨道角动量中拓扑荷相互正交的物理特性进行通信，充分利用多输入多输出技术的潜力，复用轨道角动量，无需增加新的频段即可有效提升容量，只要接收端天线的方位角满足一定的等式关系，不改变通信系统的核心部件，可以得到最大的容量提升，所需的的代价较小，且对其他通信系统无影响，可应用于现有的各种无线通信系统。多种OAM波产生装置被提出，浙江大学屈代明等人在公开号CN103474776A中提出一种基于环形行波天线产生射频轨道角动量波束的方法，天线激励源在圆环上呈行波传播，通过调节圆环上各点的相位分布产生不同阶数的OAM模式。ElettraMari等人通过调整修正的螺旋抛物面天线的开口高度的得到需要的OAM模式。WenlongWei等人采用圆形移相器和贴片天线阵列结合的结构，通过改变圆形移相器的相位来得到需要的OAM模式。因此现有的OAM波的产生装置每个结构只能产生一种模式或者需要利用移相器实现多种模式。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的在于：针对上述存在的问题，提供了一种用于轨道角动量无线通信模式的四维天线阵，目的在于通过合适的时序设计同时产生多种OAM波以及确定能够准确接收各阶模式的区域大小和位置。本专利技术中四维圆环天线阵由天线单元、高速射频开关、功率分配器(简称功分器)和FPGA电路板组成；其中每个天线单元分别连接一个高速射频开关，功率分配器经高速射频开关与各天线单元相连；FPGA电路板控制所有开关的周期性通断，即通过控制每个高速射频开关控制天线单元通道，通过合理设计开关导通时序实现天线单元的幅度和相位加权，进而同时产生多种OAM模式。本专利技术的四维圆环天线阵工作在中心频率f0，开关的时间调制周期Tp，时间调制频率fp＝1/Tp。具有脉冲平移时间调制方式的开关函数Uk(t)表示为：根据信号与系统理论，开关的周期性函数的时域表达式可以通过傅里叶级数在频域展开：其中tk和τk分别代表第k个天线单元在一个时间周期内归一化的导通时刻和导通时间，由于与轨道角动量的旋转因子ejlθ相对应，所以当时序设计满足tk＝2π/N时，四维圆环阵天线可以同时产生多种OAM模式，但是由于阵元数目有限，圆环阵能产生的OAM模式值|l|<N/2，包括正阶模式和负阶模式，考虑到本专利技术中正阶模式和负阶模式存在对称性，因而后面仅讨论正阶模式。弱场区域的存在是OAM波的固有性质，由于弱场区域的存在，势必导致天线阵列能量分散，进而模式的传输距离变短，提高增益保证能量集中是必要的。本专利技术通过对比设计的三种时序来获取四维圆环阵产生多种OAM模式的最佳时序。并且针对弱场区域对OAM模式传输的影响给出接收区域的大小、接收区域相对于天线距离以及准确的计算模式三者之间的关系。具体的模式计算依据其中，Em和Bm分别代表在第m阶边带的辐射电场强度和辐射磁场强度，Jmz和Wmz分别代表场在第m阶边带沿着z方向的角动量密度和能流密度。c代表自由空间的光速。综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：(1)通过合理的设计时序，四维圆环天线阵可以同时产生多种OAM波，产生的模式值满足|l|<N/2(N代表圆环阵单元数目)，包括正阶模式和负阶模式，不同模式的产生主要来自于边带的贡献，边带阶数与OAM模式阶数呈对应关系。本专利技术中的天线阵列形式既可以保证模式的多样性又可以避免移相器和衰减器的使用进而简化结构；(2)由于OAM模式弱场区域的存在，模式传输的距离受到影响，有效提高增益也是本专利技术的重要目标，相对于“0—1”形式单刀单掷开关，采用“-1—1”形式单刀双掷开关可以大幅度的提升四维圆环阵产生的各阶模式的能量，并且提高馈电网络的效率以及能量利用率；(3)给出在接收区域一定时，接收位置相对于天线的距离与计算的模式之间的关系，由于弱场区域随着模式数的增大而增大，因而模式阶数越高能量越分散，因此确定接收区域的位置，有利于更好的接收需要的各阶模式；(4)给出不同接收区域的大小所对应的各阶计算的模式能够准确传输的相对于四维圆环阵天线的垂直距离的关系，这一关系主要通过各阶模式的弱场区域得到，有利于在不同位置接收OAM模式时准确的设置接收区域的大小，便于准确接收需要的各阶模式。附图说明图1为本专利技术中的四维圆环天线阵结构图。图2为用于轨道角动量无线通信模式的四维天线阵所采用的“0—1”形式的单刀单掷开关的时序图，其中阴影部分表示开关处于导通状态。图3为用于轨道角动量无线通信模式的四维天线阵所采用的“0—1”形式的单刀单掷开关的时序图，其中阴影部分表示开关处于导通状态。图4为用于轨道角动量无线通信模式的四维天线阵所采用的“-1—1”形式的单刀双掷开关的时序图，本专利中的“-1—1”形式代表两种开关状态的相位相反。其中斜线阴影部分表示开关接“1”状态，栅格阴影部分表示开关接“-1”状态。图5为采用图2-4开关形式下的四维圆环天线阵产生OAM模式能量对比图。图6为接收区域为半径为4λ时，接收位置相对于四维圆环天线阵的垂直距离与计算的模式之间的关系。图7为在计算的模式准确的情况下，接收区域大小与接收位置相对于四维圆环天线阵的垂直距离之间的关系。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于轨道角动量无线通信模式的四维天线阵，其特征在于，包括天线单元组成的天线阵列、高速射频开关、功率分配器和FPGA电路板，其中每个天线单元分别连接一个高速射频开关，FPGA电路板基于预设的开关导通时序控制高速射频开关的周期性通断，产生对应的OAM模式；功率分配器经高速射频开关与各天线单元相连；所述开关导通时序用于实现每个开关在一个开关时间调制周期内按顺序依次导通至预设开关状态，并且每个开关导通至预设开关状态的导通时间相同。

【技术特征摘要】
1.一种用于轨道角动量无线通信模式的四维天线阵，其特征在于，包括天线单元组成的天线阵列、高速射频开关、功率分配器和FPGA电路板，其中每个天线单元分别连接一个高速射频开关，FPGA电路板基于预设的开关导通时序控制高速射频开关的周期性通断，产生对应的OAM模式；功率分配器经高速射频开关与各天线单元相连；所述开关导通时序用于实现每个开关在一个开关时间调制周期内按顺序依次导通至预设开关状态，并且每个开关导通至预设开关状态的导通时间相同。2.如权利要求1所述的四维天线阵，其特征在于，若高速射频开关为单刀单掷开关，则预设开关状态为“0—1”，其中0...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨仕文，孙超，陈益凯，过继新，屈世伟，聂在平，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51