产生涡旋电磁波的方法及抛物面天线与流程

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种基于抛物面天线，利用可控复介电常数材料产生携带轨道角动量的涡旋电磁波的方法及能产生涡旋电磁波的抛物面天线。

背景技术：

随着移动通信，特别是无线通信技术的迅猛发展，高速率的无线通信系统必然会在一定程度上占用更多的频谱宽带，从而导致无线通信系统面临空间频谱资源严重匮乏的困境。为了提高通信速率和频谱利用率，正交频分复用技术、码分多址技术、频分复用以及正交振幅调制和空时编码技术等技术得到了广泛应用。

继通信中时间、频率、空间、码型以及偏振等资源作为自由度之后，轨道角动量作为一个新的自由度，应用于无线通信系统中，作为数据信息的载体。通过轨道角动量复用可以增加发射和接收端之间的传输信道数量，从而提高通信容量，即增加了携带信息的域，等价的增加了带宽，提高了频谱利用率。携带轨道角动量的涡旋电磁波作为一项新技术，可以极大地拓宽无线通信的宽带，将有效的解决无线通信频谱匮乏的问题，给无线通信带来革命性的影响。Nature曾经报道，利用电磁波的扭曲和波长有可能极大的拓宽移动电话、数字电视以及其他通信技术的可用宽带(Edwin Cartlidge,Adding a twist to radio technology)。

根据经典电动力学理论可知，电磁辐射同时携带能量和角动量，而角动量包括描述极化状态的自旋角动量和描述螺旋相位结构的轨道角动量。在1992年L.Allen证明了携带有相位因子的电磁波束具有轨道角动量lh的特性，由此轨道角动量的应用得到了广泛的研究与发展。之后物理学家表明光波也是电磁波，轨道角动量也可以应用到无线电领域，2007年，Thide首次提出将光子轨道角动量应用到低频，通过仿真验证了可以用相控阵列天线产生类似拉盖尔高斯涡旋光束的涡旋电磁波，开创了将轨道角动量应用到无线通信领域的先河。2012年Tamburini等人采用修正的螺旋抛物面天线在2.4GHz载频上实现了l＝0和l＝1的两个模式的OAM信道。

涡旋电磁波是将轨道角动量应用到电磁波中，在正常的电磁波中添加相位旋转因子使电磁波波前不再是平面结构，而是绕着波束传播方向旋转、呈现出一种螺旋形的相位结构。携带轨道角动量的涡旋电磁波的主要特征为拥有螺旋的等相位面，并且是螺旋前进的，涡旋电磁波可表示为为了产生携带轨道角动量的电磁波波束，目前主要有透射螺旋结构、透射光栅结构、螺旋反射面结构和天线阵列等四种产生/发射方式：

1.透射螺旋结构产生轨道角动量，是将电磁波波束透过透明的螺旋相位板，螺旋相位板的厚度与绕相位板中心的方位角成正比，两端的表面结构分别是平面和螺旋状面，螺旋状面类似于一个旋转阶梯，螺旋相位板的螺旋形厚度使得透射光束光程变化不同，引起的相位变化量不同，透射波束被赋予了螺旋相位的特性，使得正常的电磁波添加了一个与空间相关的相位因子形成了涡旋电磁波；

2.透射光栅结构产生轨道角动量，其功能与螺旋相位板类似，利用计算全息法，经过模拟仿真生成全息板，将波束照射到不同的全息板上，得到携带轨道角动量的涡旋电磁波；

3.螺旋反射面结构产生轨道角动量，螺旋反射面包含了阶梯型反射面和螺旋抛物面，其产生涡旋电磁波的原理是利用非平面螺旋结构，使得波前在不同区域的反射面上引起的波束相邻部分有一个相对延迟，从而达到波前扭曲的效果；

4.天线阵列产生轨道角动量，是通过改变相邻阵元馈电相位差，使得各阵子之间有相位延迟，从而得到围绕轴线旋转一周、相位增加2πl的涡旋电磁波，通过调整相邻阵元馈电相位差来产生携带不同模式OAM的涡旋波束。

但是以上几种特殊的天线结构可以产生涡旋电磁波，存在天线结构复杂，成本高等不足。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种产生携带轨道角动量涡旋电磁波的方法。

本发明的另一目的是提供一种可以产生涡旋电磁波的抛物面天线。

为了实现上述第一目的，本发明采取如下的技术解决方案：

基于抛物面天线产生涡旋电磁波的方法，包括以下步骤：

步骤一、按(ξ，)两个变量将抛物面天线的反射面划分出多个面元，使得反射面变成由若干面元构成的抛物面，其中，ξ为馈源与反射面上面元中心之间连线与抛物面轴线的夹角，ξ＝0～2arctan(R0/2f)，为反射面上面元中心以x轴为参考轴的空间方位角，R₀为抛物面天线的口径面的半径，f为抛物面天线的焦距；

步骤二、在每个面元上涂覆一层复介电常数材料，以改变每个面元表面的反射系数，每个面元所涂覆的复介电常数材料的复介电常数互不相同。

为了实现上述第二目的，本发明采取如下的技术解决方案：

抛物面天线，包括反射面及位于反射面焦点处的馈源，所述反射面按(ξ，)两个变量划分出多个面元，使得反射面变成由若干面元构成的抛物面，每个面元上涂覆一层复介电常数材料，且每个面元上复介电常数材料的复介电常数互不相同，其中，ξ为馈源与反射面上面元中心之间连线与抛物面轴线的夹角，ξ＝0～2arctan(R0/2f)，为反射面上面元中心以x轴为参考轴的空间方位角，R₀为抛物面天线的口径面的半径，f为抛物面天线的焦距。

更具体的，反射面上某一面元所涂覆的复介电常数材料的复介电常数为其中，ε0为真空复介电常数，ε’为相对复介电常数ε’-jε”的实部，ε”为相对复介电常数ε’-jε”的虚部，j为虚数单位；利用复介电常数材料界面对垂直极化波或水平极化波的反射系数的相角以及复介电常数材料反射系数的幅值|R|为1，联立方程组求出各面元上所涂覆的复介电常数材料的相对复介电常数的实部和虚部，从而确定涂覆在该面元上复介电常数材料的复介电常数。

更具体的，当垂直极化的平面电磁波入射到天线反射面时，反射面上某一面元上涂覆的复介电常数材料的相对复介电常数的实部和虚部根据以下方程组求出：

其中，ψ为馈源到反射面上面元中心所在切平面的入射角，j为虚数单位，l为电磁涡旋模式数，为反射面上面元中心以x轴为参考轴的空间方位角，|R|为面元上所涂覆的复介电常数材料反射系数的幅值。

更具体的，当水平极化的平面电磁波入射到天线反射面时，反射面上某一面元上涂覆的复介电常数材料的相对复介电常数的实部和虚部根据以下方程组求出：

更具体的，将方程组变换为以下方程组对垂直极化波入射时反射面上与ξ、的取值对应的面元所涂覆的复介电常数材料的相对复介电常数的实部ε’和虚部ε”进行求解：

其中，

更具体的，将方程组变换为以下方程组对水平极化波入射时反射面上与ξ、的取值对应的面元所涂覆的复介电常数材料的相对复介电常数的实部ε’和虚部ε”进行求解：

本发明采用抛物面天线的结构，在天线的反射面上按ξ和两个参量剖分出若干个面元，使反射面形成网格形状，并在每个面元表面涂覆不同的复介电常数材料，以改变每个面元表面的反射系数，因反射面与口径面存在一个位置映射关系，使得本是同相位的口径面上的各个面元之间存在一个相位延迟，这样由各个面元组成的口径面结构可看成一个天线阵结构，使从馈源辐射出的电磁波经抛物面反射后，其波前在反射面引起的波束相邻部分具有个相位差，从而形成涡旋电磁波。相比以往产生涡旋电磁波的方法，本发明方法更为简便，而且抛物面天线具有提高天线增益、聚焦电磁波的作用，可以有效改善馈源的增益和方向性，从而提高无线通信容量，提高频谱利用率，能实现多用户、多模态涡旋电磁波的高效复用与组网。

附图说明

图1为旋转抛物面天线的结构示意图；

图2为旋转抛物面天线的剖分示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的附图会不依一般比例做局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。需要说明的是，附图采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、清晰地辅助说明本发明实施例的目的。

随着无线通信的迅猛发展，如何更大程度的提升频谱利用率成为业内人士关注的焦点，继极化复用、正交频分复用等复用技术日趋成熟之后，轨道角动量因其拥有高效的频谱利用率已引起国内外学术界的关注。携带轨道角动量的涡旋电磁波是一种具有特殊波前结构的电磁波，因等相位面呈涡旋状而得名涡旋电磁波。拥有轨道角动量的涡旋电磁波可以构成无穷维的希尔伯特空间，理论上可以同一载频利用轨道角动量复用获得极强的传输能力。

由于电磁辐射具有辐射本质，随着传播距离的增加，相同的辐射能量要覆盖更大的空间会带来电磁波能量的损耗，导致接收天线收到的来波信号减弱。与普通电磁波相比，涡旋电磁波由于其轴线处涡旋相位奇点的存在，能够有效传播的距离可能更短，因此提高天线的增益变得更为重要。在微波波段内，抛物面天线可以获得较高的增益，通过使涡旋电磁波波束变窄，能量更为集中，使得相应的传播距离变得更远，具有提高天线增益、聚焦电磁波的作用，可以改善馈源的增益和方向性，为此，本发明采用旋转抛物面天线来产生涡旋电磁波，通过对抛物面天线的反射面进行剖分形成多个面元，在剖分后的各面元上涂覆复介电常数各异的复介电常数材料，使每个面元的反射系数互不相同，从而获得涡旋电磁波。本实施例以单抛物面天线为例对本发明方法进行说明，本发明方法对如卡塞格伦天线等双反射面天线以及多反射面天线同样适用。

图1所示为旋转抛物面天线的结构示意图。旋转抛物面天线包括抛物面形状的反射面s及位于反射面焦点处的馈源a，反射面s通过支架固定。旋转抛物面天线的主要工作原理是：安置在反射面s焦点上的馈源a发出的球面波经反射面s反射后，变成平面波，然后向空间辐射；反射面s主要有两个作用：一是扩大辐射面积，二是校正口面场的相位，使口径面s’上为同相场，从而形成具有高增益的窄波束。

为了产生涡旋电磁波，本发明的基于抛物面天线产生涡旋电磁波的方法包括以下步骤：

步骤1、按(ξ，)两个变量将抛物面天线的反射面s划分出多个面元，使得反射面变成由若干面元构成的抛物面，其中，ξ为馈源与反射面上(某一)面元中心之间连线r′与抛物面轴线的夹角，为反射面上(某一)面元中心以x轴为参考轴的空间方位角；

如图2所示，ψ为馈源到反射面上(某一)面元中心所在切平面Q的入射角，ψ＝0～arctan(R₀/2f)，ξ＝2ψ，则ξ的取值范围是0～2arctan(R₀/2f)，的取值范围是0～2π，R₀为抛物面天线的口径面s’的半径，f为抛物面天线的焦距，z轴与抛物面天线的轴线重合，x轴和y轴分别垂直于z轴，并且x-y-z满足右手螺旋定则；ξ、按一定的步长在各自的取值范围内连续取值，当ξ、确定时，即可确定面元的大小以及面元在反射面上的位置，ξ、在取值范围内连续取值的步长越大，面元的面积越大，划分得到的面元数量则越少，反之，ξ、在取值范围内连续取值的步长越小，面元的面积越小，划分得到的面元数量则越多，例如，ξ、以步长为1°在各自的取值范围内连续取值，即ξ、分别取0°、1°、2°、3°……，和ξ、以步长为0.1°连续取值，即ξ、分别取0°、0.1°、0.2°、0.3°……，按步长为1°连续取值划分得到的面元面积相较于按步长为0.1°连续取值划分得到的面元面积要大，相应的，按步长为1°连续取值划分得到的面元数量要少；

步骤2、在每个面元上涂覆一层复介电常数材料，每个面元上复介电常数材料的复介电常数均不相同，反射面上某一面元所涂覆的复介电常数材料的复介电常数为其中，ε₀为真空复介电常数，ε’为相对复介电常数ε’-jε”的实部，ε”为相对复介电常数ε’-jε”的虚部，j为虚数单位；通过在剖分的面元上涂覆复介电常数材料，以改变每个面元表面的反射系数

当复介电常数材料界面对垂直极化波或水平极化波的反射系数的相角时，电磁波中会存在相位旋转因子利用β以及复介电常数材料反射系数的幅值|R|为1，联立方程组求出各面元上所涂覆的复介电常数材料的相对复介电常数的实部和虚部。

当垂直极化的平面电磁波入射到涂覆了复介电常数材料的天线反射面时，反射面上某一面元上涂覆的复介电常数材料的相对复介电常数的实部和虚部根据以下方程组求出：

其中，ψ为馈源到反射面上面元中心所在切平面的入射角，j为虚数单位，l为电磁涡旋模式数，为反射面上面元中心以x轴为参考轴的空间方位角，|R|为面元上所涂覆的复介电常数材料反射系数的幅值；

根据ξ、的取值，求解以上方程组即可得到与ξ、取值对应的面元所涂覆的复介电常数材料的相对复介电常数的实部和虚部，从而确定涂覆在该面元上复介电常数材料的复介电常数，即可将对应的复介电常数材料涂覆到该面元上。

当水平极化的平面电磁波入射到涂覆了复介电常数材料的天线反射面时，反射面上某一面元上涂覆的复介电常数材料的相对复介电常数的实部和虚部根据以下方程组求出：

同样的，根据ξ、的取值以及β和|R|，求解以上方程组即可确定与ξ、取值对应的面元所涂覆的复介电常数材料的复介电常数。

进一步的，垂直极化波入射时的方程组可变换为以下方程组：

其中，通过求解以上方程组即可得到垂直极化波入射时反射面上与ξ、的取值对应的面元所涂覆的复介电常数材料的相对复介电常数的实部ε’和虚部ε”。

进一步的，水平极化波入射时的方程组可变换为以下方程组：

同样通过求解以上方程组即可得到水平极化波入射时反射面上与ξ、的取值对应的面元所涂覆的复介电常数材料的相对复介电常数的实部ε’和虚部ε”。

本发明在抛物面天线反射面上各面元上涂覆的复介电常数材料的复介电常数随旋转抛物面的ξ和两个变量变化，即对应随天线口径面的半径和方位角的变化而变化，从而可调控旋转抛物面天线反射面上各个点源的反射系数，每个面元表面的反射系数各不相同时，可为抛物面天线口径面上各面元提供一个exp(-jβ)的相位因子，使抛物面天线的反射面可看成由若干连续的源天线构成的天线阵，从馈源辐射出的电磁波经抛物面反射后，其波前在反射面引起的波束相邻部分有个相位差，使得波前在不同面元的反射面上引起的波束相邻部分有一个相对延迟，达到波前扭曲的效果，从而产生涡旋电磁波。

本发明利用复介电常数材料的反射系数具有的复数形式来实现反射移相，根据复介电常数材料的反射系数求解相对复介电常数的实部和虚部，以此确定在各面元处涂覆的复介电常数材料，从而利用抛物面天线来产生涡旋电磁波，相比已有的生成涡旋电磁波的方法，不用改变传统抛物面天线的基本构造，保证了传统抛物面天线的完整性，且利用抛物面天线的结构特性以及增益性能，产生的涡旋电磁波具有能量更为集中，传输距离更远的特性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。