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

本发明专利技术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。本发明专利技术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。无线通信系统性能提升。无线通信系统性能提升。

【技术实现步骤摘要】
一种用于混合模式涡旋电磁波的相控电磁表面设计方法


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。

技术实现思路

[0004]本专利技术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。
[0005]本专利技术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：
[0006]S1.发射端生成混合模式的涡旋电磁波；
[0007]S101.发射端生成正出射的混合模式的模式复用涡旋电磁波
[0008]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(x
i
，y
j
)；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的相位值为其中，k0为馈源出射的电磁波的波数，r
fij
为馈源的相位中心与单元ij的中心间的欧氏距离；
[0009]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
[0010]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，l
p
为第p种模式的涡旋电磁波的模式数，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将各单元实际能实现的相位变化分布矩阵与理想单元补偿相位分布矩阵相对应；
[0011]最终发射反射型相控电磁表面A的整体相位分布矩阵为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其中，r
f
为馈源至反射型相控电磁表面A几何中心的距离，r
ij
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，q
f
为由馈源方向图决定的指数系数，q
e
为由单元辐射方向图决定的指数系数；
[0012]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；
[0013]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其中i为虚数单位，k0为自由空间的波数；
[0014]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；
[0015]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(x
m
，y
n
)，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：
[0016]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间的距离为其中，D
TR
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，Δx
i
＝x
m
‑
x
i
、Δy
j
＝y
n
‑
y
j
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
；
[0017]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
[0018]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*R
mn
(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
[0019]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：
[0020]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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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(x
i
，y
j
)；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的相位值为其中，k0为馈源出射的电磁波的波数，r
fij
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，l
p
为第p种模式的涡旋电磁波的模式数，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将各单元实际能实现的相位变化分布矩阵与理想单元补偿相位分布矩阵相对应；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其中，r
f
为馈源至反射型相控电磁表面A几何中心的距离，r
ij
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，q
f
为由馈源方向图决定的指数系数，q
e
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(x
m
,y
n
)，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间的距离为其中，D
TR

【专利技术属性】
技术研发人员：王紫阳，薛昕宇，尼安琪，赵宇飞，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：