基于阵列旋转天线和正交频率的合成涡旋波生成方法

本发明涉及合成涡旋波生成技术，特别涉及基于阵列旋转天线和正交频率波形的合成涡旋波生成技术。

背景技术：

1、电磁波携带自旋角动量sam和轨道角动量oam。sam通常被解释为表征电场矢量的方向，它与极化特性有关。oam具有导致螺旋相位前沿的扭曲波矢量，因此携带oam的光束也被称为涡旋波。由于oam不依赖于波长或偏振，它提供了一种新的自由度。同时，在同轴传输过程中，由螺旋相位前沿的扭曲率来识别的oam模式状态彼此正交。这一特性有利于oam在模式分割复用mdm、抗干扰和雷达成像中的应用。allen等人在1992年报道了oam的概念，并将其应用于光通信。后来，涡旋波技术被扩展到射频。目前，产生涡旋电磁波的方法有几种，包括扭曲抛物面反射器、螺旋相位板、圆形微带天线和超表面等。均匀圆形阵列uca产生oam无线电波，被认为是一种简单有效的形成涡旋波的方法。由于其模式正交性，oam波经常应用于无线通信。有研究提出了涡旋无线电波在无线宽带通信中的未来应用。

2、此外，已公开的oam的应用还包括：雷达探测和成像系统还可以受益于oam模式的正交性及其螺旋相位分布；光学oam可用于检测旋转物体；无源单输入多输出simo oam雷达应用于成像系统；双耦合oam波束可用于改善oam雷达成像性能；oam用于insar系统的三维成像；旋转天线辅助oam雷达系统来提高目标检测的信噪比。

3、然而，由于oam的螺旋相位结构，传输oam携带光束会遭受发散问题，即其强度分布是环形的，在中心有一个奇点。如果探测范围变长，发散现象会更加严重。此外，随着模态值的增加，光束的中心空心也会变大。为了解决这个问题，有方案提出了平面螺旋oam(psoam)，以沿横向传播携带oam的波来消除相位奇点。还有方案提出了一个具有旋转天线的虚拟oam系统，并测试了其在大规模模式产生中的应用。然而，增量初始相位由单频信号上的均匀采样主导，这是误差敏感的。还有方案提出了使用一种波束oam(boam)系统结构来缓解中心空心波束问题，但该系统在天线尺寸方面占用了更多的体积。

4、此外，复杂目标的雷达截面rcs可以被认为是表面上多个单独散射点目标的总和。涡旋波的螺旋相位结构将导致各个散射点的回波相位与普通平面波的回波相位不同，最终导致综合rcs特性的变化。旋转天线形成的oam信号被认为是处理这一问题并获得明显信噪比增益的有效方法。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是，提供一种使得发射的oam不受采样率的限制，能同时传输多模信号的合成涡旋波生成方法。

2、本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，基于旋转阵列天线和正交频率的合成涡旋波生成方法，包括步骤：

3、阵列天线旋转步骤：旋转天线上包含由m个发射阵列单元组成均匀线阵和1个接收天线；以接收天线固定作为原点，均匀线阵持续地匀速地绕原点旋转形成圆形旋转轨迹；当均匀线阵旋转至发射采样点时，触发正交频率波形发射步骤；圆形旋转轨迹上均匀设置有的n处发射采样点；

4、正交频率波发射步骤：产生具有设定初始相位的m路电磁脉冲信号，同时产生的m路电磁脉冲信号具有m个oam模态；对m路电磁脉冲信号电磁脉冲信号分配m路频率相互正交的载波进行调制，将调制得到的正交频率波输入至均匀线阵，均匀线阵在发射采样点处辐射出发射脉冲信号；

5、回波接收与合成步骤：接收天线接收来自各发射采样点的脉冲回波，旋转天线每完成转动一圈，回波脉冲处理单元将采集到的n个回波脉冲相加获得合成涡旋波。

6、具体的，旋转天线每完成转动一圈，经过n处发射采样点，将产生具有n个不同初始相位的m路电磁脉冲信号，经过相邻发射采样点产生的电磁脉冲信号间的初始相位相差2lπ/n，其中l为模态数，l＝{l0,...,lm,...,lm-1}，整数变量m的取值范围为0至m-1。

7、本发明的有益效果是，在发射端直接加入一组固定的初始相位，消除了信号采样误差的影响，馈电初始相位不再依赖于单频信号采样，因此发射的oam不受采样率的限制。进引入阵列技术并发射正交频率信号，同时完成多模oam波辐射，在接收机完成多模soam波生成，并具体给出了接收机分离再合成涡旋波的方法，实现了多模信号的同时传输。

技术特征：

1.基于旋转阵列天线和正交频率的合成涡旋波生成方法，其特征在于，包括步骤：

2.如权利要求1所述方法，其特征在于，旋转天线每完成转动一圈，经过n处发射采样点，将产生具有n个不同初始相位的m路电磁脉冲信号，经过相邻发射采样点产生的电磁脉冲信号间的初始相位相差2lπ/n，其中l为模态数，l＝{l0,...,lm，...,lm-1}，整数变量m的取值范围为0至m-1。

3.如权利要求2所述方法，其特征在于，当旋转天线移动到第n个发射采样点处，第m个发射阵列单元辐射出的发射脉冲信号sm,n(t)表示为：

4.如权利要求3所述方法，其特征在于，接收天线接收到第n个发射采样点处采集到的回波脉冲s′n为：

5.如权利要/4所述方法，其特征在于，采用以下方式合成涡旋电磁波ym：

技术总结
本发明提供一种基于旋转天线的合成涡旋波生成方法。接收天线固定作为原点，均匀线阵持续地匀速地绕原点旋转形成圆形旋转轨迹；圆形旋转轨迹上均匀设置N个发射采样点；当均匀线阵旋转至发射采样点时，触发正交频率波形发射步骤；产生具有设定初始相位的M个OAM模态的M路电磁脉冲信号；对M路电磁脉冲信号电磁脉冲信号分配M路频率相互正交的载波进行调制，将调制得到的正交频率波输入至均匀线阵，均匀线阵在发射采样点处辐射出发射脉冲信号；接收天线接收来自各发射采样点的脉冲回波并分离出各阵元的脉冲回波，再将同阵元的N个回波脉冲相加获得合成涡旋波，实现了多模信号的同时传输。

技术研发人员：廖轶,陈思慧,罗智榜
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27