一种产生涡旋电磁波的方法
【专利摘要】本发明公开一种产生涡旋电磁波的方法。对阵元总数为n的阵列天线，通过给各阵元施加等幅、相位依次相差2πl/n的激励来产生OAM模式为l或?l(l或?l通过相位差沿顺时针或逆时针方向变化或通过相位差递增或递减来控制)的涡旋电磁波，阵元总数n与拓扑荷l仅需满足关系|l|<n/2。本发明提出的涡旋电磁波产生方法简单易行，阵列单元形式不限，阵元排布方式灵活，通过调节阵元数目和阵元排布方式可以实现具有不同OAM模式的涡旋电磁波，通过适当组合可以产生多个OAM模式同时工作的涡旋电磁波。
【专利说明】
_种产生满旋电磁波的方法
技术领域
[0001] 本发明属于电磁场微波技术领域，具体涉及一种产生涡旋电磁波的方法。
【背景技术】
[0002] 由麦克斯韦经典电磁理论可知电磁辐射可以同时载有能量和动量，动量包括线性 动量和角动量。角动量分为自旋角动量（Spin Angular Momentum，SAM)和轨道角动量 (Orbital Angular Momentum，0AM)。作为电磁波的一个基本物理属性，OAM的本征态具有形 如的相位因子，1即为OAM的模式，又称为拓扑荷(Topological Charge，TC)，代表OAM的 空间分布。普通的电磁波OAM模式为1 = 0，等相位面为平面;如果波束被扭曲，电磁波的OAM 模式不为零，将导致波前以螺旋状态旋转于波的传播方向，且波前中心的场强为零，这种具 有螺旋状相位波前的特殊电磁波就是涡漩电磁波。涡旋电磁波可由普通电磁波添加相位因 子产生，表达式为式中A(r)为电磁波幅值，r为到波束中心轴线的辐射距 离。
[0003] 目前，以螺旋相位板和阵列天线为主产生涡旋电磁波的方法已有报道，如文献 [Zhu L. ,ffei X. , Wang J. ,et al. ,Experimental demonstration of basic functionalities for 0.I-THz orbital angular momentum(OAM)communications[C], Optical Fiber Communication Conference,Optical Society of America,2014:M3K.7] 和[Wei ff.,Mahdjoubi K.,Brousseau C.,et al.,Generation of 0AM waves with circular phase shifter and array of patch antennas[J],Electronics Letters, 2015，51 (6): 442-443 ]等，实现了单个0AM模式的涡旋电磁波。
[0004] 文南犬[Tennant A.,Allen B.,Generation of radio frequency 0AM radiation modes using circular time-switched and phased array antennas[C], IEEE Antennas and Propagation Conference(LAPC) ,Loughborough，2012:1-4]米用时控开关阵列，产生 了多个OAM模式的涡旋电磁波，但这种方法产生的多个OAM模式不在同一频率。
[0005] 文献[Cheng L· ,Hong ff. ,Hao Z.C. ,Generation of electromagnetic waves with arbitrary orbital angular momentum modes[J],Scientific reports,2014:1-5] 基于透镜原理在同一频率产生了多个0AM模式，但是需要在介质基板上精确钻孔来控制输 出相位，且为电大结构。由此，探索一种简单易行的涡旋电磁波产生方法对微波工程具有重 要价值和意义。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种产生涡旋电磁波的方法，所提方法简单易行、方便灵 活，可实现任意OAM模式的涡旋电磁波。
[0007] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
[0008] -种基于相控阵原理产生涡旋电磁波的方法，具体步骤如下：
[0009] 步骤1.针对需要生成OAM模式为1的涡旋电磁波，构建一个阵元总数为η的平面阵 列天线，如图1所示，其中阵元数η应满足111 <n/2;所述η个阵元在阵面上为非直线排布并构 成一条封闭曲线，选取其中任意一个阵元编号为1，以1号阵元为起点沿所述封闭曲线的顺 时针或者逆时针方向依次将剩余阵元编号为2、3、…、η;
[0010] 步骤2.所有阵元的激励相位以阵元编号为序呈等差数列排布，所述等差数列以1 号阵元的激励相位Ct1为首项、相位递进公差为2311/η或者-2311/η;
[0011] 步骤3.对所有阵元施加等幅且相位满足步骤2所述设定的激励，即可产生OAM模式 为1的涡旋电磁波。
[0012] 对于所述阵元总数为η的阵列天线，所有天线单元可以排列在三角形或同心圆周 或椭圆周上，阵面形状即所述封闭曲线可以是三角形、矩形、圆形、椭圆形或其他多边形;所 述阵列天线的阵元形式不限，可以是微带贴片天线，例如矩形或者圆形微带贴片天线，也可 以是单极子天线或偶极子天线等。
[0013] 进一步的，通过对阵元最大间距dmax进行限制，即满足Κλ，其中λ为所述阵列天 线工作频率对应的波导波长，可避免出现过高栅瓣。
[0014] 通过调整阵元总数η或改变阵元的排布方式可增强涡旋电磁波的涡旋效果。
[0015] 本发明的有益效果是：
[0016] 本发明提出的涡旋电磁波产生方法简单易行，阵列天线的阵元形式不限，阵元的 排布方式灵活;通过调节阵元数目和阵元排布方式，可以产生任意OAM模式的涡旋电磁波； 此外，通过适当组合可以同时实现具有多个OAM模式的涡旋电磁波，因而进一步丰富和发展 了微波工程的相应理论与技术。
【附图说明】
[0017] 图1为用于产生涡旋电磁波的阵列天线结构示意图。
[0018] 图2为本发明【具体实施方式】提供的单个阵元模型。
[0019] 图3为本发明【具体实施方式】中的单个阵元反射特性曲线。
[0020]图4为本发明【具体实施方式】中的单个阵元电场的相位分布图。
[0021]图5为本发明实施例1提供的阵列天线模型。
[0022]图6为本发明实施例1提供的阵列天线的电场相位分布图。
[0023]图7为本发明实施例2提供的阵列天线模型。
[0024]图8为本发明实施例2提供的阵列天线的电场相位分布图。
[0025] 图9为本发明实施例3提供的阵列天线模型。
[0026] 图10为本发明实施例3提供的阵列天线的电场相位分布图。
[0027] 图11为本发明实施例4提供的阵列天线模型。
[0028] 图12为本发明实施例4提供的阵列天线的电场相位分布图。
[0029] 图13为本发明实施例5提供的阵列天线模型。
[0030] 图14为本发明实施例5提供的阵列天线的电场相位分布图。
[0031] 图15为本发明实施例6提供的阵列天线模型。
[0032]图16为本发明实施例6提供的阵列天线的电场相位分布图。
[0033]图17为本发明实施例7提供的阵列天线模型。
[0034]图18为本发明实施例7提供的阵列天线的电场相位分布图。
【具体实施方式】
[0035] 下面结合具体实施例及附图对本发明作进一步的描述。
[0036] 图1为本发明提出的用于产生涡旋电磁波的阵列天线结构示意图（阵元数为η)，其 中k(k=l，2,…，k，···，!〇为阵元编号，d max为所述阵列天线的阵元最大间距。这里，为控制栅 瓣电平，需对阵元最大间距CUx进行限制，即d max<A，其中λ为所述阵列天线工作频率对应的 波导波长。对于所述阵元总数为η的阵列天线，所有天线单元可以排列在三角形或位于同心 圆环或椭圆环上，所有天线单元围成的阵面形状可以是三角形、矩形、圆形、椭圆形或其他 多边形;所述阵列天线的阵元形式不限，可以是矩形微带贴片天线、圆形微带贴片天线或单 极子、偶极子天线等。
[0037] 本【具体实施方式】以η = 4元阵列天线为例，实现OAM模式为1的涡旋电磁波。由于所 述阵列天线的阵元形式不限，实施例选择成本低、制作简单，广泛使用的单极子天线。
[0038] 单极子天线由金属地板和垂直于地板的金属细圆柱体组成，通过地板端进行馈 电。采用CST全波仿真器进行数值计算，天线模型如图2所示，工作频率f为2.5GHz，地板位于 xoy平面，为减小地板影响，地板直径D取为三倍工作波长，即360mm，厚度h为1.5mm，经优化 计算，取天线长度L为26.62mm，金属细圆柱体直径Do为1mm，得到的反射参数Sn如图3所示， 可看出谐振频率为2.5GHz，谐振点处的回波损耗为42dB左右，图4为阵单元的电场相位分布 图。
[0039] 实施例1
[0040]确定阵元尺寸后，在本实施例中，将4个阵元排列在三角形边缘上，阵面形状为直 角三角形，4元阵列天线位于xoy面，CST仿真模型如图5所示。考虑到阵列天线的阵元最大间 距dmax对栅瓣的影响，取相邻阵元间距d为0.1λ(λ为谐振频率对应的自由空间波长），即 24mm，阵元最大间距d max小于一个波长，即120mm。第一个阵元的激励相位为Ct1，控制其他阵 元的激励相位依次增加2π1/ η = 90°，从而实现OAM模式I = 1的涡旋电磁波。图6为实施例1的 电场相位分布图，可见电场相位沿圆周一圈变化2π，对应于OAM模式I = 1的祸旋电磁波。 [0041 ] 实施例2
[0042]图7为实施例2的CST仿真模型，与实施例1的区别在于阵面形状为锐角三角形，图8 为实施例2的电场相位分布图。
[0043] 实施例3
[0044]图9为实施例3的CST仿真模型，与实施例1的区别在于阵面形状为钝角三角形，图 10为实施例3的电场相位分布图。
[0045] 实施例4
[0046] 图11为实施例4的CST仿真模型，与实施例1的区别在于阵面形状为凸四边形，阵列 天线的单元为不等间距排列，阵元间距在0. U至0.2λ范围内取值，图12为实施例4的电场相 位分布图。
[0047] 实施例5
[0048] 图13为实施例5的CST仿真模型，与实施例1的区别在于阵面形状为凹四边形，阵元 间距分别为21.6mm和13.4mm。图14为实施例5的电场相位分布图。
[0049] 实施例6
[0050]图15为实施例6的CST仿真模型，与实施例1的区别在于阵元等间距排布在圆弧上， 圆弧所在圆的半径为12mm，圆弧的角度为90°。图16为实施例6的电场相位分布图。
[0051 ] 实施例7
[0052]图17为实施例7的CST仿真模型，与实施例1的区别在于阵元均匀排布在圆环上，圆 环半径为12mm。图18为实施例7的电场相位分布图。
[0053]上述7个实施例仅为本发明用于实现OAM模式I = 1的部分实施例，通过相应的仿真 结果可以看出都实现了 OAM模式1 = 1的涡旋电磁波。对比结果发现，阵列轮廓形状越趋于 圆，效果越好，且当阵元均匀排布在圆环上时，效果最好。
[0054]本发明提出的涡旋电磁波产生方法，对于一个阵元总数为η的阵列天线，所有阵元 可以等间距也可以不等间距排布;可通过增加阵元数目或调节阵元激励的相位差来产生高 阶OAM模式的涡旋电磁波;此外，可以通过调整阵元排布方式使阵列轮廓形状趋于圆或在不 改变阵元排布方式的情况下增加阵元数目来更好地实现所需OAM模式;所述阵列天线的阵 元形式不受限，可综合考虑系统指标、天线成本等因素进行选择;所述天线各部分的尺寸也 可以选用其他长度，比如同比例放大或缩小;通过采取相应措施即可调节其工作带宽，这对 相关领域的技术人员来说是显而易见的。
【主权项】
1. 一种产生涡旋电磁波的方法，包括以下步骤： 步骤1.针对需要生成轨道角动量模式为1的涡旋电磁波，构建一个阵元总数为η的平面 阵列天线，其中阵元总数η应满足111 <η/2;所述η个阵元在阵面上为非直线排布并构成一条 封闭曲线，选取其中任意一个阵元编号为1，以1号阵元为起点沿所述封闭曲线的顺时针或 者逆时针方向依次将剩余阵元编号为2、3、…、η; 步骤2.所有阵元的激励相位以编号为序呈等差数列排布，所述等差数列以1号阵元的 激励相位αι为首项、相位递进公差为2π1/η或者-2π1/η; 步骤3.对所有阵元施加等幅、相位满足步骤2所述设定的激励，即可产生ΟΑΜ模式为1的 涡旋电磁波。2. 根据权利要求1所述的产生涡旋电磁波的方法，其特征在于，所述封闭曲线为圆形、 椭圆形或多边形。3. 根据权利要求1所述的产生涡旋电磁波的方法，其特征在于，所述阵元为微带贴片天 线、单极子天线或偶极子天线。4. 根据权利要求1、2或3所述的产生涡旋电磁波的方法，其特征在于，阵元最大间距dmax 满足dmax<A，其中λ为所述阵列天线工作频率对应的波导波长。
【文档编号】H01Q21/20GK106058490SQ201610383709
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月1日
【发明人】李家林, 张香博, 张明, 张一明, 王秉中
【申请人】电子科技大学