测试天线阵列产生的涡旋波的纯度的方法和装置与流程

本发明涉及通信技术领域，特别是指一种测试天线阵列产生的涡旋波的纯度的方法和装置。

背景技术：

在电动力学中，轨道角动量(oam)是除自旋角动量(sam)之外的另一个基本物理量。涡旋电磁波(rf-oam)是一种空间螺旋相位分布的电磁波，1992年，allan等人提出拉盖尔-高斯光束的表达式中含有方位角的oam项，自此含有oam的光束迅速成为科学家研究的热点。2007年，tride等人在理论上用相控阵环形天线阵列在2.4ghz的频率中处产生了携带轨道角动量的无线电波，验证了在射频波段，同样可以产生具有oam的电磁波，同时提供了一种产生涡旋电磁波的方法。涡旋电磁波现在主要应用于无线通信领域，理论上可以实现无限制的oam波复用；另一方面，利用涡旋电磁波检测旋转物体的转速也得到了应用。

近年来，关于如何产生涡旋电磁波的研究也取得了较大进步，提出了多种天线方法用来产生涡旋电磁波，但基于非相控阵的环形天线阵列因其存在特定物理结构限制产生的电磁涡旋只能具有一种模态，因此限制了这类天线的大规模商用。所以在未来产生涡旋电磁波的天线仍将会是相控圆形天线阵列。

由多个天线单元沿圆环排列而组成的平面阵成为圆形天线阵列。近年来，这种形式的阵列天线在无线通信和智能天线中得到了重要应用，因而圆环天线阵列也是一种重要的面阵类型。由n个同性天线单元沿着圆周均匀排列成圆环阵，在其馈电网络中控制好电流的幅度和相位，构成相控圆形天线阵列。然而在受现实制造条件及生产工艺的限制，制造出完美的圆形天线阵列是不切合实际的，从而完美目标涡旋电磁波是不存在的。因此，有必要针对生产出的圆形天线阵列判断是否能够达到出厂标准。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种测试天线阵列产生的涡旋波的纯度的方法和装置，实现对天线阵列产生的涡旋波的纯度的测试，便于对生产的天线阵列是否达到标准做出准确分析。

基于上述目的，本发明提供一种测试天线阵列产生的涡旋波的纯度的方法，包括：

根据垂直接收的天线阵列产生的涡旋波，生成涡旋波幅度图像；

对所述涡旋波幅度图像利用涡旋波的oam谱分析方法，得到每种模态分量涡旋波的幅值；

根据每种模态分量涡旋波的幅值，计算出所述天线阵列产生的目标涡旋波的纯度。

其中，所述对所述涡旋波幅度图像利用涡旋波的oam谱分析方法，得到每种模态分量涡旋波的幅值，具体包括：

根据同轴传输的不同模态的涡旋波间的正交性，利用傅里叶变换，获取每种模态的涡旋波的幅值。

其中，所述根据每种模态分量涡旋波的幅值，计算出所述天线阵列产生的目标涡旋波的纯度，具体包括：

根据每种模态的涡旋波的幅值，分别计算出每种模态的涡旋波的强度；

根据计算的各模态的涡旋波的强度，计算出所述天线阵列产生的目标涡旋波的纯度。

其中，所述天线阵列具体为不均匀圆形天线阵列；或者

所述天线阵列具体为：行波天线、超表面天线、或不规则天线阵列。

本发明还提供一种测试天线阵列产生的涡旋波的纯度的装置，包括：

涡旋波幅度图像生成模块，用于根据垂直接收的天线阵列产生的涡旋波，生成涡旋波幅度图像；

oam谱分析模块，用于对所述涡旋波幅度图像利用涡旋波的oam谱分析方法，得到每种模态分量涡旋波的幅值；

纯度计算模块，用于根据每种模态分量涡旋波的幅值，计算出所述天线阵列产生的目标涡旋波的纯度。

本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其中，所述处理器执行所述程序时实现如上所述的测试天线阵列产生的涡旋波的纯度的方法。

本发明的技术方案中，根据垂直接收的天线阵列产生的涡旋波，生成涡旋波幅度图像；对所述涡旋波幅度图像利用涡旋波的oam谱分析方法，得到每种模态分量涡旋波的幅值；根据每种模态分量涡旋波的幅值，计算出所述天线阵列产生的目标涡旋波的纯度；实现对天线阵列产生的涡旋波的纯度的测试，便于对生产的天线阵列是否达到标准做出准确分析。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的均匀圆形天线阵列和不均匀圆形天线阵列的示意图；

图2为本发明实施例提供的径向偏离误差和角偏离误差对不均匀圆形天线阵列产生的涡旋波影响示意图；

图3为本发明实施例提供的一种测试天线阵列产生的涡旋波的纯度的方法流程图；

图4为本发明实施例提供的一种测试天线阵列产生的涡旋波的纯度的装置的内部结构框图；

图5为本发明实施例提供的一种电子设备硬件结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，除非另外定义，本发明实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

本发明的发明人考虑到，基于圆形天线阵列方程天线半径r和方位角是影响圆形天线阵列产生的涡旋波纯度的重要因素。径向偏移影响天线单元半径r，角偏移影响方位角图1中的(a)是均匀圆形天线阵列的示意图；图1中的(b)是径向偏移的不均匀圆形天线阵列的示意图；图1中的(c)是角偏移的不均匀圆形天线阵列的示意图；图1中的(d)是径向偏移和角偏移叠加的不均匀圆形天线阵列的示意图；

图2是径向偏离误差和角偏离误差对不均匀圆形天线阵列产生的涡旋波影响示意图；其中，图2中的(a)是均匀圆形天线阵列产生的涡旋波强度图；图2中的(b)是径向偏移的不均匀圆形天线阵列产生的涡旋波强度图；图2中的(c)是角偏移的不均匀圆形天线阵列产生的涡旋波强度图；图2中的(d)是径向偏移和角偏移叠加的不均匀圆形天线阵列产生的涡旋波强度图。

从图2可以看出，径向偏移和角偏移均可对圆形天线阵列所产生的目标涡旋波在总的电磁波强度中所占的比例造成影响，也就是说，径向偏移和角偏移均可对圆形天线阵列所产生的目标涡旋波的纯度造成影响；因此，通过对生产的圆形天线阵列产生的涡旋波的纯度进行测试，根据测试的纯度结果可以判断生产的圆形天线阵列是否达到标准。

也就是说，均匀圆形天线阵列产生的涡旋波束的模态与和纯度均与天线的数量与排布有关，由于生产过程受限于生产条件的限制，生产出理想的均匀圆形天线阵列是困难的，但不均匀圆形天线阵列达到了产生的涡旋波纯度要求，便达到了出厂标准；且为了适合现在涡旋波雷达探测过程中，对产生涡旋波的纯度越来越高的要求，因此，有必要提供一种测试天线阵列产生的涡旋波的纯度的方法。

下面结合附图详细说明本发明实施例的技术方案。

本发明提供的一种测试天线阵列产生的涡旋波的纯度的方法，具体流程如图3所示，包括如下步骤：

步骤s301：垂直接收天线阵列产生的涡旋波。

具体地，接收端垂直接收天线阵列发射的涡旋波，从而完整接收天线阵列产生的涡旋波。

其中，所述天线阵列可以是不均匀圆形天线阵列，具体可以是径向偏移的不均匀圆形天线阵列、或角偏移的不均匀圆形天线阵列产生的涡旋波强度图、或径向偏移和角偏移叠加的不均匀圆形天线阵列。

步骤s302：根据垂直接收的天线阵列产生的涡旋波，生成涡旋波幅度图像。

具体地，完整接收的天线阵列产生的涡旋波，可视为不同模态涡旋波的叠加，生成多模态涡旋波幅度图像；其中，构建的多模态涡旋波u的表达式如下表达式一所示：

其中，ln表示第n个模态的涡旋波的模态值，表示第n个模态的涡旋波的幅值，i表示虚数，表示方位角，取值范围为:[0,2π]。

步骤s303：对所述涡旋波幅度图像利用涡旋波的oam谱分析方法，得到每种模态分量涡旋波的幅值。

具体地，由于在实际应用中，不同模态的涡旋波同轴传输时，不同模态的涡旋波相互正交，可表示为：因此利用模态间的正交性，可以将不同模态的涡旋波分量提取出来。

因此，本步骤中，利用涡旋波的oam(轨道角动量)谱分析方法，通过傅里叶变换，进而得到每种模态的涡旋波的幅值；

具体地，第n个模态的涡旋波的幅值aln可根据如下表达式二计算得到：

其中，u表示不均匀圆形天线阵列生成的多模态涡旋波的叠加；i表示虚数；表示方位角，取值范围为:[0,2π]。

步骤s304：根据每种模态分量涡旋波的幅值，计算出所述天线阵列产生的目标涡旋波的纯度。

本步骤中，首先根据每种模态的涡旋波的幅值，依据如下表达式三分别计算出每种模态的涡旋波的强度，即通过平方操作得到每种模态的强度：

其中，ρ表示积分时以光轴为中心的径向取值，表示不均匀圆天线阵列产生的第n个模态的涡旋波的幅值，表示第n个模态的涡旋波的强度值。

进而，根据计算的各模态的涡旋波的强度，计算出所述天线阵列产生的目标涡旋波的纯度，具体可以根据如下表达式四计算目标涡旋波的纯度：

表达式四中，pl表示计算出的目标涡旋波的纯度，cl表示目标涡旋波的强度值，表示第n个模态的涡旋波的强度。其中，目标涡旋波为生产的不均匀圆天线阵列预期要产生的某单一模态的涡旋波。

步骤s305：判断所述天线阵列产生的目标涡旋波的纯度是否达到要求，进而判断所述天线阵列是否达到圆形天线阵列的出厂标准。

具体地，当所述天线阵列产生的目标涡旋波的纯度达到要求时，则判断所述天线阵列达到了圆形天线阵列的出厂标准；否则，判断所述天线阵列没达到圆形天线阵列的出厂标准。

事实上，除了圆形天线阵列，上述测试天线阵列产生的涡旋波的纯度的方法也可应用于其它天线阵列，比如行波天线、超表面天线、或不规则天线阵列。也就是说，行波天线、超表面天线、或不规则天线阵列也可能存在固有生产误差的情况，则也可应用本发明的测试天线阵列产生的涡旋波的纯度的方法，来判断这些天线阵列产生的目标涡旋波的纯度是否达到要求，进而判断这些天线阵列是否达到出厂标准。

基于上述的测试天线阵列产生的涡旋波的纯度的方法，本发明实施例提供的一种测试天线阵列产生的涡旋波的纯度的装置，结构如图4所示，包括：涡旋波幅度图像生成模块401、oam谱分析模块402、纯度计算模块403。

涡旋波幅度图像生成模块401用于根据垂直接收的天线阵列产生的涡旋波，生成涡旋波幅度图像；

oam谱分析模块402用于对涡旋波幅度图像生成模块401生成的涡旋波幅度图像利用涡旋波的oam谱分析方法，得到每种模态分量涡旋波的幅值；

纯度计算模块403用于根据每种模态分量涡旋波的幅值，计算出所述天线阵列产生的目标涡旋波的纯度。具体地，纯度计算模块403根据每种模态的涡旋波的幅值，分别计算出每种模态的涡旋波的强度；根据计算的各模态的涡旋波的强度，计算出所述天线阵列产生的目标涡旋波的纯度。

上述测试天线阵列产生的涡旋波的纯度的装置中的各模块的功能具体实现方法可参考如图3所示流程中的各步骤中详述的方法，此处不再赘述。

上述实施例的装置用于实现前述实施例中相应的方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。

图5示出了本实施例所提供的一种更为具体的电子设备硬件结构示意图，该设备可以包括：处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030、通信接口1040和总线1050。其中处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030和通信接口1040通过总线1050实现彼此之间在设备内部的通信连接。

处理器1010可以采用通用的cpu(centralprocessingunit，中央处理器)、微处理器、应用专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、或者一个或多个集成电路等方式实现，用于执行相关程序，以实现本说明书实施例所提供的测试天线阵列产生的涡旋波的纯度的方法。

存储器1020可以采用rom(readonlymemory，只读存储器)、ram(randomaccessmemory，随机存取存储器)、静态存储设备，动态存储设备等形式实现。存储器1020可以存储操作系统和其他应用程序，在通过软件或者固件来实现本说明书实施例所提供的技术方案时，相关的程序代码保存在存储器1020中，并由处理器1010来调用执行。

输入/输出接口1030用于连接输入/输出模块，以实现信息输入及输出。输入输出/模块可以作为组件配置在设备中(图中未示出)，也可以外接于设备以提供相应功能。其中输入设备可以包括键盘、鼠标、触摸屏、麦克风、各类传感器等，输出设备可以包括显示器、扬声器、振动器、指示灯等。

通信接口1040用于连接通信模块(图中未示出)，以实现本设备与其他设备的通信交互。其中通信模块可以通过有线方式(例如usb、网线等)实现通信，也可以通过无线方式(例如移动网络、wifi、蓝牙等)实现通信。

总线1050包括一通路，在设备的各个组件(例如处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030和通信接口1040)之间传输信息。

需要说明的是，尽管上述设备仅示出了处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030、通信接口1040以及总线1050，但是在具体实施过程中，该设备还可以包括实现正常运行所必需的其他组件。此外，本领域的技术人员可以理解的是，上述设备中也可以仅包含实现本说明书实施例方案所必需的组件，而不必包含图中所示的全部组件。

本发明的技术方案中，根据垂直接收的天线阵列产生的涡旋波，生成涡旋波幅度图像；对所述涡旋波幅度图像利用涡旋波的oam谱分析方法，得到每种模态分量涡旋波的幅值；根据每种模态分量涡旋波的幅值，计算出所述天线阵列产生的目标涡旋波的纯度；实现对天线阵列产生的涡旋波的纯度的测试，便于对生产的天线阵列是否达到标准做出准确分析。

本实施例的计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(pram)、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能光盘(dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(ic)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态ram(dram))可以使用所讨论的实施例。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。