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方案

本发明专利技术公开了一种基于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。通过该发明专利技术可以利用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。束能量衰减以及波束对准的难题。束能量衰减以及波束对准的难题。

【技术实现步骤摘要】
基于OAM正交模态复用的多通道多波束系统及复用方法


[0001]本专利技术涉及无线通信领域，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]然而，涡旋电磁波的接收存在以下技术问题：
[0005]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。

技术实现思路

[0006]本专利技术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。该专利技术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。通过该专利技术可以利用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。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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。
[0011]作为本专利技术的进一步改进，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。
[0012]作为本专利技术的进一步改进，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：
[0013]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；
[0014]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；
[0015]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；
[0016]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。
[0017]作为本专利技术的进一步改进，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；
[0018]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；
[0019]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。
[0020]作为本专利技术的进一步改进，所述辐射层金属贴片结构为切角方形或不切角方形。
[0021]作为本专利技术的进一步改进，所述口径面上每个亚波长超表面单元的相位响应表达为：
[0022][0023]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。
[0024]作为本专利技术的进一步改进，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。
[0025]作为本专利技术的进一步改进，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。
[0026]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：
[0027]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；
[0028]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；
[0029]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。
[0030]作为本专利技术的进一步改进，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；
[0031]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。
[0032]相对与现有技术，本专利技术具有如下有益效果：
[0033]本专利技术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，本专利技术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
[0034]图1为本专利技术实施例所述基于OAM正交模态复用的多通道多波束示意图；
[0035]图2为本专利技术实施例所述的亚波长超表面单元结构示意图；
[0036]图3为本专利技术实施例所述的口径面相位分布设计；
[0037]图4为本专利技术实施例所述的口径面相位调控层的走线长短示意图；
[0038]图5为本专利技术实施例所述的口径面辐射层本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：施宏宇，王鲁一，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：