轨道角动量涡旋波束产生装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线通信技术领域，特别设及一种轨道角动量电磁满旋场的产生方 法，可用于射频和微波波段，作为不同模态轨道角动量电磁满旋波束传输的发射和接收装 置。
【背景技术】
[0002] 轨道角动量满旋波近些年得到了广泛的研究与应用，然而射频和无线通信领域的 研究与应用相对滞后。直到2007年，瑞典的B.化ide等通过运用阵列天线产生轨道角动量 OAM的方法成功将其应用于射频无线通信领域，由此OAM电磁满旋场在无线通信中的应用逐 步成为当今的研究热点。到目前为止，用于产生轨道角动量波束的主要方法为透射型旋转 相位板、螺旋抛物面和阵列天线。
[0003] 运几种方案中旋转相位板在光波段的使用最为广泛，其特点在于理论与结构简 单，可W双极化激励，转换效率较高;但是在射频微波波段，其产生的波束发散角较大不利 于远距离传输，介质板对波束的反射会降低发射效率，复用方案复杂等问题限制了运一在 光频段应用广泛的方案。而螺旋抛物面则是将已有的抛物面天线弯曲螺旋成螺旋曲面，本 质上是一种反射型旋转相位板，由于抛物面的汇聚作用，可W将发散的微波轨道角动量波 束汇聚，但是，运种结构很难产生多个模态的轨道角动量复用的波束。阵列天线技术近些年 得到了广泛研究，并且应用于很多领域，如通信、传感、能量收集、雷达等，运也为使用阵列 天线产生携带有轨道角动量的微波波束提供了较好的理论和技术基础。但是为了产生旋转 相位的波束，需要复杂的馈电移相网络，不但要保证不同福射单元之间的相位关系，还要做 到功率的一致W保证轨道角动量模态的纯正。当要产生的轨道角动量波束模态值较大时， 需要更多的天线单元，运会使系统的复杂度和设计难度大大增加，需要考虑天线单元之间 的互禪影响，不利于实际的应用。虽然天线阵技术已经在通信领域广泛运用，但是使用天线 阵产生轨道角动量波束需要载波的同步与相位关系，复杂的天线馈电网络与系统结构带来 了很大的难度，影响了运一方法的应用。由于透射型旋转相位板不利于远距离传输，螺旋抛 物面的不稳定性强、不易于制作，阵列天线的馈电相移网络复杂的缺陷，使得运些装置在产 生轨道满旋波束时复用结构复杂、波束发散且效率低，不能满足实际通信中的要求。
【发明内容】
[0004] 本发明根据电磁超材料和天线赋形波束理论，提出了一种轨道角动量满旋波束产 生装置及方法，W解决上述现有技术结构复杂、波束发散和效率低的问题，满足扩大通信容 量的要求。
[0005] 为实现上述目的，本发明轨道角动量波束产生装置，包括馈源和相移网络，馈源产 生的入射波经过相移网络反射，得到补偿相位，该补偿相位与馈源发出的入射波相位相加， 实现反射电磁波波前相位e邓辉如的螺旋分布特性，其特征在于：
[0006] 相移网络(4)由电磁超表面结构（3)和金属背板(2)组成，该金属背板位于电磁超 表面结构的背面，同时兼作接地板；
[0007] 电磁超表面结构（3)由MXN个周期相同的电磁超表面反射单元(31)和介质基板 (32)构成，M，N^21，1是轨道角动量本征模态数，取值为整数；
[0008] 馈源（1)位于电磁超表面结构的中屯、轴向方向，使馈源发出的电磁波束经过相移 网络反射后，产生满旋电磁波束(5)，得到每个电磁超表面反射单元的补偿相位为：
[0010] 其中m=l，2，…，M，n = l，2，…，N，f瓣漸?/分别是第m行第n列电磁超表面反射单元 中屯、相对位置和馈源中屯、相对位置，&〇为反射电磁波的主波束方向，供，》是第m行第n列电 磁超表面反射单元中屯、在极坐标下的方位角度值，A为电磁波的工作波长，德。为第m行第n 列的电磁超表面反射单元的补偿相位。
[0011] 为实现上述目的，本发明产生轨道角动量满旋波束的方法，包括如下步骤：
[001 ^ (1)选定馈源中屯、相对位置?f、主波束指向;!;。、每个电磁超表面反射单元的中屯、相 对位置和极坐标下的方位角度值热,。；
[0013] (2)给定工作频率f和轨道角动量本征模态1，计算每个电磁超表面反射单元所需 的补偿相位媒,,；
[001引其中m=l，2，...，M，n=l，2，...，N，气和?/分别是第m行第n列电磁超表面反射单元 中屯、相对位置和馈源中屯、相对位置，為为反射电磁波的主波束方向，？V?是第m行第n列电 磁超表面反射单元中屯、在极坐标下的方位角度值，A为电磁波的工作波长，德。为第m行第n 列的电磁超表面反射单元的补偿相位；
[0016] (3)选取MXN个周期相同的电磁超表面反射单元与每个补偿相位一一对应，并将 它们印制到介质基板上，形成电磁超表面结构；
[0017] (4)将馈源放置在电磁超表面结构的中屯、轴向处，由馈源发出的入射波照射到电 磁超表面结构上，当入射波得到电磁超表面结构提供的补偿相位后，再经相移网络反射，产 生本征模态为1的轨道角动量满旋波束。
[0018] 本发明具有W下优点：
[0019] 1)本发明装置由于没有复杂的馈电网络，与传统的阵列天线装置相比，降低了结 构设计的复杂性；
[0020] 2)本发明装置中的电磁超表面反射单元采用介质损耗很小的=平行振子结构，提 高了装置的福射效率；
[0021] 3)本发明装置中电磁超表面反射单元的相位可独立调整，设计自由度大，有利于 得到精确的轨道角动量满旋波束；
[0022] 4)本发明利用轨道角动量波束的能量奇点，将馈源放置在电磁超表面结构的中屯、 轴向处，既不影响能量的传播，又简化了装置的设计。
[0023] 5)本发明装置与已有的装置相比，占用空间小，质量轻，便于折叠、收藏和展开。
【附图说明】
[0024] 图1是本发明系统的结构示意图；
[0025] 图2是本发明系统的流程图；
[0026] 图3是本发明实施例1中所有电磁超表面反射单元的相移分布示意图；
[0027] 图4是本发明实施例1中产生的1 = 1的轨道角动量满旋波束；
[002引图5是本发明实施例2中所有电磁超表面反射单元的相移分布示意图；
[0029] 图6是本发明实施例2中产生的1 = 2的轨道角动量满旋波束；
[0030] 图7是本发明实施例1中距离电磁超表面结构法向200个波长处电场相位分布图；
[0031] 图8是理论的1 = 1的轨道角动量电场相位曲线；
[0032] 图9是本发明实施例2中距离电磁超表面结构法向200个波长处电场相位分布图；
[0033] 图10是理论的1 = 2的轨道角动量电场相位曲线；
[0034] 图11是本发明实施例1中电磁超表面结构的远场=维福射方向图；
[0035] 图12是理论的1 = 1的轨道角动量满旋波束福射图；
[0036] 图13是本发明实施例2中电磁超表面结构的远场=维福射方向图；
[0037] 图14是理论的1 = 2的轨道角动量满旋波束福射图。
【具体实施方式】
[0038] 下面结合附图对本发明做进一步详述：
[0039] 参照图1，本发明装置包括馈源1、金属背板2、电磁超表面结构3、相移网络4和满旋 电磁波束5。
[0040] 馈源1，采用卿趴天线或微带天线或八木天线，本实例采用卿趴天线，并将其放置 在电磁超表面结构3的中屯、轴向方向；
[0041] 金属背板2同时兼作接地板，位于电磁超表面结构3的背面，与介质基板32的尺寸 相同，与介质基板32的间距为d，其中cKA，金属背板2与电磁超表面结构3-起构成相移网 络4;
[0042] 电磁超表面结构3由MXN个周期相同的电磁超表面反射单元31和介质基板32构 成，M，N含21，1是轨道角动量本征模态，取值为整数，两个相邻电磁超表面反射单元31中屯、 的间距为D，根据公式
I其中m= 1，2，…，M; n = 1， 2,…，N，可计算出第m行第n列电磁超表面反射单元中屯、相对位置4。，.根据公式
，可计算出第m行第n列电磁超表面反射单 元中屯、在极坐标下的方位角度值斬W;
[0043] 计算每个电磁超表面反射单元所需的补偿相位洛。：
[0045]其中m=l，2,…，M，n = l义…，N，巧。。和?"V分别是第m行第n列电磁超表面反射单元 中屯、相对位置和馈源中屯、相对位置，《0为反射电磁波的主波束方向，齡M是第m行第n列电 磁超表面反射单元中屯、在极坐标下的方位角度值，A为电磁波的工作波长，叛"为第m行第n 列的电磁超表面反射单元的补偿相位。
[0046] 每个电磁超表面反射单元31采用不同尺寸的=平行振子结构。
[0047] 参照图2,本发明产生轨道角动量满旋波束的方法，给出如下两个实施例：
[004引实施例1:产生本证模态1 = 1的轨道角动量满旋波束。
[0049] 步骤1，设定参数。
[0050] 取卿趴天线的中屯、相对位置= (M)，0 4)衣，即X轴的0处，y轴的0处，Z轴的0.4米 处;主波束指向如二(0,0，1)米，即X轴的0处，y轴的0处，Z轴的1米处;总行数M=20,总列数N = 20，相邻两个电磁超表面反射单元中屯、间距D = 25毫米，介质基板的尺寸为0.5 X 0.5 X 0.001米，电磁超表面反射单元的尺寸为25 X 25毫米，金属背板与介质基板的间距d = 5毫 米；
[0化1 ] 步骤2，根据设定参数，计算磁超表面反射单元的相对位置；。和方位角度值机W: [0化2] 2.1)计算出第m行第n列电磁超表面反射单元中屯、的相对位置?胃
，其中 m=l，2，...，20，n = l，2，...，20;
[0化4] 2.2)计算出第m行第n列电磁超表面反射单元中屯、在极坐标下的方位角度值卿?;
[0化6]步骤3,计算每个电磁超表面反射单元所需的补偿相位:載。。
[0057]给定卿趴天线的工作频率f为5.8GHz，取1 = 1，计算每个电磁超表面