基于幅相调控产生混合模态涡旋波束的装置和方法与流程

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种混合模态涡旋波束的产生装置和方法，可用于无线通信系统中。

背景技术

无线通信技术自产生之日起便蓬勃发展，人们对电磁波的幅度、频率、相位、偏振态进行设计来实现复用通信的调制与解调方法，并先后提出时分复用、码分复用、频分复用等技术，使得无线通信速率快速增长，并进一步扩大了无线通信业务，给社会生活带来巨大变革。同时，快速增长的无线通信业务也导致了无线频谱资源日趋匮乏，并使得目前技术所支撑的无线通信容量接近了香农定理的极限。社会的进一步发展要求更高速率无线通信的实现，而考虑到无线通信系统的信道容量与系统带宽的正比关系，通信速率的提升势必加重频谱资源不足的困境，为解决上述问题，急需提出新的通信机制来改善现有状况。轨道角动量oam是电磁波的基本物理属性，是电磁波不同于频率、偏振态等原有自由度的全新自由度，对其加以利用体现出解决无线通信领域问题的潜力。

涡旋电磁波携带有oam，理论上在同频拥有无穷多种相互正交的模式，若将其作为信息的载波或编码方式并进行复用，可增加通信系统的传输信道数量，进而有望在不增加带宽的前提下成倍地增加无线通信容量与传输速率，并提升频谱利用率。2007年，涡旋波被首次引入微波射频频段，并通过相控阵列天线的仿真实现，随即引起人们的广泛关注与研究。之后，tamburini等人利用螺旋抛物面天线与八木天线分别产生1与0不同模态的涡旋波，并在同一频点对上述两种不同模态的涡旋波进行编码传输，证实了涡旋波可用于信息传输，且体现出增加通信容量与速率的能力。

涡旋波的产生是实现其进一步应用的基础，产生涡旋电磁波的装置有很多种，目前最常见的是利用单个天线或天线阵列直接产生，以及利用反射阵或透射阵调制平面波或球面波产生。以上的各类产生方法皆可产生固定模态数的涡旋波束，但考虑到无线通信领域的实际应用，需要将拥有不同模态oam的涡旋波作为信息的复用载波，并实现不同模态涡旋波的复用与解复用，因此，涡旋波的产生装置需要可以同时产生多个模态混合在一起的混合模态涡旋波束。若将涡旋波产生装置中常用的均匀圆环型阵列进行同轴嵌套，可由不同的圆环型阵列产生不同模态的涡旋波，并将各模态的涡旋波束混合，从而实现混合模态涡旋波。但此方法需要大量的天线阵元，装置本身体积较大，不利于移动与维护，而拥有大量阵元的天线阵列的馈电网络更是难以设计。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，根据天线阵列理论，提出了一种利用幅相调控实现混合模态涡旋波束的产生装置和方法，以通过对均匀圆环型阵列上每个阵元的幅度与相位进行调控，产生将几种oam模态混合在一起的混合模态涡旋波束，减少产生混合模态涡旋波束的装置的阵元个数，使得混合模态涡旋波束的产生装置变得简单，便于在无线复用通信中应用。

为实现上目的，本发明的基于幅相调控实现混合模态涡旋波束的装置，包括第一介质基板1、第二介质基板2、地板3和微带天线单元4，第一介质基板1的下表面与第二介质基板2的上表面紧贴；第二介质基板2的下表面与地板3紧贴，其特征在于：

所述微带天线单元4有n个，每个微带天线单元4包括圆形微带贴片41、微带馈线42和输入端口43；n个沿圆周均匀分布的圆形微带贴片41印制在第一介质基板1的上表面；n个与圆形微带贴片41对应的微带馈线42印制在第二介质基板2的上表面，各微带馈线42的末端与对应的输入端口43连接，输入端口43垂直嵌在第二介质基板2中，每个输入端口43输入具有不同幅度与相位的激励信号，并通过与各输入端口43连接的微带馈线42将激励的能量耦合至对应的圆形微带贴片41，以产生混合模态涡旋波束，其中8≤n≤16，且为整数。

为实现上目的，本发明上述装置实现混合模态涡旋波束的方法，其包括如下：

1)设定均匀圆环型阵列中微带天线单元的个数n、混合模态涡旋波束中所包含的单一模态涡旋波的个数m、每种单一模态涡旋波各自的模态值lk，其中，k为每个单一模态涡旋波的编号，8≤n≤16,2≤m≤8,-4≤lk≤4，且n、m、lk均为整数；

2)计算每个微带天线单元所需激励信号的幅度fn与相位

fn＝mag{fn}，

其中，n为每个微带天线单元的编号，fn为每个微带天线单元所需的激励信号的复数值，其表达式为：

3)产生混合模态涡旋波束：

将2)计算出的每个微带天线单元所需激励信号的幅度fn与相位施加到每个微带天线单元的输入端口，使各激励信号的能量通过与各输入端口连接的微带馈线耦合至对应的圆形微带贴片，由各圆形微带贴片辐射电磁能量，产生混合模态涡旋波束。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，本发明利用单圈均匀圆环型阵列与相应的幅相调控方法产生混合模态的涡旋波束，使得单圈均匀圆环型阵列的功能得到扩展，更适用于实际的复用通信。

第二，本发明减少了现有产生混合模态涡旋波束的装置的阵元个数，使得混合模态涡旋波束的产生装置得以简化。

附图说明

图1为本发明的装置整体结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为图1的侧视图；

图4为本发明产生混合模态涡旋波的实现方法流程图；

图5为本发明实施例1的混合模态涡旋波束幅度分布图；

图6为本发明实施例1的混合模态涡旋波束相位分布图；

图7为本发明实施例1的混合模态涡旋波束检验模态分布图；

图8为本发明实施例2的混合模态涡旋波束幅度分布图；

图9为本发明实施例2的混合模态涡旋波束相位分布图；

图10为本发明实施例2的混合模态涡旋波束检验模态分布图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步详述：

参照图1、图2和图3，本发明装置包括第一介质基板1、第二介质基板2、地板3、微带天线单元4；所述第一介质基板1的下表面与第二介质基板2的上表面紧贴，第二介质基板2的下表面与地板3紧贴；所述微带天线单元4有n个，其中8≤n≤16，且为整数；n个微带天线单元4均匀地排列在半径为r的圆周上，半径r与微带天线单元4的中心工作频率对应的波长λ之间满足：0.8λ≤r≤1.5λ；每个微带天线单元4都包含有圆形微带贴片41、微带馈线42和输入端口43；圆形微带贴片41的半径为r，6mm≤r≤7mm；微带馈线42的长为l，宽为w，8mm≤l≤12mm，0.5mm≤w≤3.5mm；第一介质基板1与第二介质基板2采用相同的介质，其相对介电常数为εr，4≤εr≤5，第一介质基板1与第二介质基板2皆为圆柱体，二者半径皆为rs，rs＞r+l。

所述圆形微带贴片41印制于第一介质基板1的上表面，微带馈线42印制于第二介质基板2的上表面；输入端口43垂直嵌在第二介质基板2中，并与微带馈线42的末端相连；该第一介质基板1的厚度为h1，第二介质基板2的厚度为h2，输入端口43的宽为w，高度为h2，0.5≤h1≤1，1.5≤h2≤2.5。

所述每个输入端口43为与之相连的各微带馈线42提供不同幅度与相位的激励信号，并通过各微带馈线42将电磁能量耦合至与之对应的圆形微带贴片41，从而将电磁能量由圆形微带贴片41发射出去，形成混合模态涡旋波束。

参照图4，利用图1中装置实现混合模态涡旋波束的方法，包括如下步骤：

步骤1：确定参数。

设定均匀圆环型阵列中微带天线单元的个数n、混合模态涡旋波束中所包含的单一模态涡旋波的个数m、每种单一模态涡旋波各自的模态值lk，其中，k为每个单一模态涡旋波的编号，8≤n≤16,2≤m≤8,-4≤lk≤4，且n、m、lk均为整数。

步骤2：计算每个微带天线单元所需激励信号的幅度fn与相位

均匀圆环型阵列中每个微带天线单元所需激励信号的幅度fn与相位各自不同，其由步骤1中设定的参数，尤其是每种单一模态涡旋波各自的模态值lk而决定，其中，n为每个微带天线单元的编号；

首先，计算得到每个微带天线单元所需的激励信号的复数值fn，其计算式为：

其中，j为虚数单位；

然后，对复数fn分别取幅度与相位，即可得到每个微带天线单元所需激励信号的幅度fn与相位

fn＝mag{fn}，

步骤3：产生混合模态涡旋波束。

将步骤2计算出的每个微带天线单元所需激励信号的幅度fn与相位施加到每个微带天线单元的输入端口，使各激励信号的能量通过各输入端口传送至与之连接的微带馈线，各微带馈线再将电磁能量耦合至对应的圆形微带贴片，由各圆形微带贴片辐射电磁能量，形成混合模态涡旋波束。

本发明的效果可通过以下仿真实例进一步说明。

实施例1：

本实例设计中心工作频率f＝5.8ghz，各结构参数如下：

圆形微带贴片的半径r＝6.79mm；微带馈线的长度l＝10mm；宽度w＝1mm；第一介质基板的厚度h1＝0.5mm；第二介质基板的厚度h2＝2mm；介质基板相对介电常数εr＝4.4；微带天线单元所分布圆周的半径r＝1.2λ＝62mm；第一介质基板与第二介质基板的半径rs＝76mm；

微带天线单元个数n＝8，混合模态涡旋波束中包含的单一模态涡旋波的个数m＝2，各自的模态值分别为：l1＝+1，l2＝-1。

为方便起见，将x轴上的微带天线单元的编号记为1，并按逆时针顺序依次为之后的微带天线单元记编号，计算得到每个微带天线单元所需激励信号的幅度fn与相位如表一所示：

表一

根据表一提供的激励信号信息，利用高频电磁仿真软件hfss对本发明的装置进行仿真，得到混合模态涡旋波束幅度分布图，如图5所示，和混合模态涡旋波束相位分布图，如图6所示；

将图5与图6中混合模态涡旋波束的幅度与相位信息代入全孔径采样检测法中，得到混合模态涡旋波束检验模态分布图，如图7所示。

由图7可以看出，混合模态涡旋波束中包含有两种单一模态的涡旋波，且各自的模态值分别为+1与-1，达到了设计要求。

实施例2：

本实例设计中心工作频率f＝5.8ghz，各结构参数如下：

圆形微带贴片的半径r＝6.79mm；微带馈线的长度l＝10mm；宽度w＝1mm；第一介质基板的厚度h1＝0.5mm；第二介质基板的厚度h2＝2mm；介质基板相对介电常数εr＝4.4；微带天线单元所分布圆周的半径r＝1.3λ＝67mm；第一介质基板与第二介质基板的半径rs＝80mm；

微带天线单元个数n＝8，混合模态涡旋波束中包含的单一模态涡旋波的个数m＝4，各自的模态值分别为：l1＝+2，l2＝+1，l3＝-1，l4＝-2。

为方便起见，将x轴上的微带天线单元的编号记为1，并按逆时针顺序依次为之后的微带天线单元记编号，计算得到每个微带天线单元所需激励信号的幅度fn与相位如表二所示：

表二

根据表二提供的激励信号信息，利用高频电磁仿真软件hfss对本发明的装置进行仿真，得到混合模态涡旋波束幅度分布图，如图8所示，得到混合模态涡旋波束相位分布图，如图9所示。

将图8与图9中混合模态涡旋波束的幅度与相位信息代入全孔径采样检测法中，得到混合模态涡旋波束检验模态分布图，如图10所示。

由图10所示的混合模态涡旋波束检测模态分布图可以看出，混合模态涡旋波束中包含有四种单一模态的涡旋波，且各自的模态值分别为+2、+1、-1、-2，达到了设计要求。

以上描述仅是本发明的两个具体实施例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。