[发明专利]轨道角动量多波束产生方法

说明书

本发明公开了一种轨道角动量涡旋多波束产生方法，主要解决现有技术无法在单一工作频率下同时产生多个面向不同方向辐射、模态数相同或不同轨道角动量涡旋波束的问题。其实现方案是：选定馈源、波束辐射方向及每个反射单元的几何位置；根据几何位置、工作频率及所需的轨道角动量模态计算每个超表面反射单元所需补偿相位矩阵；选择不同尺寸的电磁超表面单元设计相移网络；将馈源放置在电磁超表面的中心轴向处，使馈源发出的入射波照射到电磁超表面上，得到相移网络提供的补偿相位，产生在设定方向上具有涡旋波阵面的多个轨道角动量电磁涡旋波束。本发明能有效增加轨道角动量无线通信系统的容量和覆盖范围，用于无线通信系统中不同信号的调制和复用。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种轨道角动量电磁涡旋场的产生方法，可用于射频和微波波段。

背景技术

轨道角动量涡旋波近些年得到了广泛的研究与应用，然而射频和无线通信领域的研究与应用相对滞后。直到2007年，瑞典的B.Thide等通过运用阵列天线产生轨道角动量OAM的方法成功将其应用于射频无线通信领域，由此OAM电磁涡旋场在无线通信中的应用逐步成为当今的研究热点。到目前为止，用于产生轨道角动量波束的主要方法为透射型旋转相位板、螺旋抛物面和阵列天线。

这几种方案中旋转相位板在光波段的使用最为广泛，其特点在于理论与结构简单，可以双极化激励，转换效率较高；但是在射频微波波段，其产生的波束发散角较大不利于远距离传输，介质板对波束的反射会降低发射效率，复用方案复杂等问题限制了这一在光频段应用广泛的方案。而螺旋抛物面则是将已有的抛物面天线弯曲螺旋成螺旋曲面，本质上是一种反射型旋转相位板，由于抛物面的汇聚作用，可以将发散的微波轨道角动量波束汇聚，但是，这种结构很难产生多个模态的轨道角动量复用的波束。阵列天线技术近些年得到了广泛研究，并且应用于很多领域，如通信、传感、能量收集、雷达等，这也为使用阵列天线产生携带有轨道角动量的微波波束提供了较好的理论和技术基础。但是为了产生旋转相位的波束，需要复杂的馈电移相网络，不但要保证不同辐射单元之间的相位关系，还要做到功率的一致以保证轨道角动量模态的纯正。当要产生的轨道角动量波束模态值较大时，需要更多的天线单元，这会使系统的复杂度和设计难度大大增加，需要考虑天线单元之间的互耦影响，不利于实际的应用。虽然天线阵技术已经在通信领域广泛运用，但是使用天线阵产生轨道角动量波束需要载波的同步与相位关系，复杂的天线馈电网络与系统结构带来了很大的难度，影响了这一方法的应用。目前，传统轨道角动量天线只能在单一方向上具有高增益特性，因此覆盖范围狭小，且模态单一，通信容量狭窄。采用传统轨道角动量天线只能通过增加天线的数量，同时调整不同天线的摆放位置以实现更大范围的覆盖。这样不但成本高，配置复杂，而且当天线预留安装空间有限时难以安装，不能满足实际通信中的要求。

发明内容

本发明的目的在于提出一种轨道角动量多波束产生方法，以解决上述已有技术轨道角动量产生装置结构复杂、指向单一、覆盖范围较小、模态单一的不足，提高通信质量。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：

1)选定几何位置关系：