1/2)，在垂直于輻射方向的平面上觀察，波陣面沿兩條逆時(shí)針路徑旋轉(zhuǎn)變 化，其模態(tài)數(shù)Ii= 1，第二個(gè)角動(dòng)量波束輻射方向?yàn)?=(化.?々)=(π/6. 3π/2)，波陣面沿兩條逆 時(shí)針路徑旋轉(zhuǎn)變化，其模態(tài)數(shù)I2 = 1。
[0062]實(shí)施例2:產(chǎn)生不同方向輻射模態(tài)數(shù)均為2的軌道角動(dòng)量渦旋波束。
[0063]步驟一，選定幾何位置關(guān)系。
[0064] 參照實(shí)施例1，選定與實(shí)施例1 一致的幾何位置關(guān)系。
[0065] 步驟二，計(jì)算每個(gè)電磁超表面反射單元所需的補(bǔ)償相位。
[0066] 2.1)給定喇叭天線的工作頻率f為5.8GHz，取第一個(gè)角動(dòng)量波束的本征模態(tài)數(shù)I1 =2，第二個(gè)角動(dòng)量波束的本征模態(tài)數(shù)12 = 2，參照實(shí)施例1中給出的方法計(jì)算每個(gè)電磁超表 面反射單元所需的補(bǔ)償相位C,,;
[0067] 2.2)根據(jù)計(jì)算得到的第m行第η列補(bǔ)償相位C?的值，繪制所有電磁超表面反射單 元的相位分布圖，如圖7所示，圖7中的橫坐標(biāo)是每個(gè)電磁超表面反射單元在X軸上的位置， 縱坐標(biāo)是每個(gè)電磁超表面反射單元在y軸上的位置，顏色深淺代表每個(gè)電磁超表面反射單 元提供的補(bǔ)償相位€?的大小。
[0068]步驟三，構(gòu)成電磁超表面和相移網(wǎng)絡(luò)。
[0069] 3.1)參照實(shí)施例1，查找圖7中每個(gè)補(bǔ)償相位在曲線上的對(duì)用坐標(biāo)位置，其中橫軸 坐標(biāo)位置即為所需方形貼片的邊長(zhǎng)尺寸，查找得到反射型超表面陣面上各中心位置處的方 形貼片尺寸如表二所示：
[0070] 表二：反射型超表面陣面上各個(gè)中心位置處對(duì)應(yīng)方形貼片尺寸(單位:mm)
[0072] 3.2)根據(jù)表二的數(shù)據(jù)，將這20X20個(gè)對(duì)應(yīng)尺寸的電磁超表面反射單元印制到介質(zhì) 基板的對(duì)應(yīng)位置上，形成電磁超表面，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖8所示；
[0073] 3.3)將金屬背板放置在介質(zhì)基板背面，同時(shí)兼作接地板，進(jìn)而構(gòu)成相移網(wǎng)絡(luò)。
[0074]步驟4,產(chǎn)生軌道角動(dòng)量渦旋波束。
[0075] 將喇叭天線放在電磁超表面結(jié)構(gòu)的中心軸向處，由喇叭天線發(fā)出的入射波照射到 電磁超表面結(jié)構(gòu)上，當(dāng)入射波得到電磁超表面結(jié)構(gòu)提供的補(bǔ)償相位后，再經(jīng)相移網(wǎng)絡(luò)反射， 則可得到兩個(gè)不同的角動(dòng)量波束，如圖9所示，其中第一個(gè)角動(dòng)量波束輻射方向?yàn)?A )=(π/6, π/2)，波陣面沿四條逆時(shí)針路徑旋轉(zhuǎn)變化，其模態(tài)數(shù)Ii = 2，第二個(gè)角動(dòng)量波 束輻射方向?yàn)?=(Α. Ρ)=(π/6, 3π/2)，波陣面沿四條逆時(shí)針路徑旋轉(zhuǎn)變化，其模態(tài)數(shù)12 = 2。
[0076] 實(shí)施例3:產(chǎn)生不同方向輻射模態(tài)數(shù)分別為1和2的軌道角動(dòng)量渦旋波束。
[0077]步驟A，選定幾何位置關(guān)系。
[0078] 參照實(shí)施例1，選定與實(shí)施例1 一致的幾何位置關(guān)系。
[0079] 步驟Β，計(jì)算每個(gè)電磁超表面反射單元所需的補(bǔ)償相位端"。
[0080] BI)給定喇叭天線的工作頻率f為5.8GHz，取第一個(gè)角動(dòng)量波束的本征模態(tài)數(shù)I1 = 1，第二個(gè)角動(dòng)量波束的本征模態(tài)數(shù)12 = 2，參照實(shí)施例1中給出的方法計(jì)算每個(gè)電磁超表面 反射單元所需的補(bǔ)償相位C,,;
[0081] B2)根據(jù)計(jì)算得到的第m行第η列補(bǔ)償相位乾《的值，繪制所有電磁超表面反射單元 的相位分布圖，如圖10所示，圖10中的橫坐標(biāo)是每個(gè)電磁超表面反射單元在X軸上的位置， 縱坐標(biāo)是每個(gè)電磁超表面反射單元在y軸上的位置，顏色深淺代表每個(gè)電磁超表面反射單 元提供的補(bǔ)償相位€"的大小。
[0082] 步驟C，構(gòu)成電磁超表面和相移網(wǎng)絡(luò)。
[0083] Cl)參照實(shí)施例1，查找圖7中每個(gè)補(bǔ)償相位在曲線上的對(duì)用坐標(biāo)位置，其中橫軸坐 標(biāo)位置即為所需方形貼片的邊長(zhǎng)尺寸，查找得到反射型超表面陣面上各中心位置處的方形 貼片尺寸如表二所示：
[0084] 表三:反射型超表面陣面上各個(gè)中心位置處對(duì)應(yīng)方形貼片尺寸(單位:mm)
[0086] C2)根據(jù)表三的數(shù)據(jù)，將這20 X 20個(gè)對(duì)應(yīng)尺寸的電磁超表面反射單元印制到介質(zhì) 基板的對(duì)應(yīng)位置上，形成電磁超表面，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖11所示；
[0087] C3)將金屬背板放置介質(zhì)基板背面，同時(shí)兼作接地板，進(jìn)而構(gòu)成相移網(wǎng)絡(luò)。
[0088]步驟4,產(chǎn)生軌道角動(dòng)量渦旋波束。
[0089] 將喇叭天線放在電磁超表面結(jié)構(gòu)的中心軸向處，由喇叭天線發(fā)出的入射波照射到 電磁超表面結(jié)構(gòu)上，當(dāng)入射波得到電磁超表面結(jié)構(gòu)提供的補(bǔ)償相位后，再經(jīng)相移網(wǎng)絡(luò)反射， 則可得到兩個(gè)不同的角動(dòng)量波束，如圖12所示，其中第一個(gè)角動(dòng)量波束輻射方向?yàn)?承=CAj i )=(π/6, π/2)，波陣面沿兩條逆時(shí)針路徑旋轉(zhuǎn)變化，其模態(tài)數(shù)I1 = 1，第二個(gè)角動(dòng)量波 束輻射方向?yàn)橐?=(π/6, 3πΖ2)，波陣面沿四條逆時(shí)針路徑旋轉(zhuǎn)變化，其模態(tài)數(shù)12 = 2。
[0090] 本發(fā)明效果可通過(guò)仿真進(jìn)一步說(shuō)明：
[0091] 仿真1，利用Ansys HFSS軟件，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例1的電磁超表面遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性進(jìn)行 仿真，得到遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖如圖13。
[0092]仿真2，利用Ansys HFSS軟件，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的電磁超表面遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性進(jìn)行仿 真，得到遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖如圖圖14。
[0093]仿真3，利用Ansys HFSS軟件，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例3的電磁超表面遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性進(jìn)行 仿真，得到遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖如圖15所示。
[0094] 從圖13中可以看到兩個(gè)具有定向性的軌道角動(dòng)量電磁渦旋波束，第一個(gè)波束的輻 射方向?yàn)?=(奶，Ρι)=(π/6, π/2)，第二個(gè)波束的輻射方向?yàn)?=(?, 02)=(π/6, 3π/2)，兩個(gè)波束 均有中心凹陷特性，最大增益約19dB。
[0095] 從圖14中可以看到兩個(gè)具有定向性的軌道角動(dòng)量電磁渦旋波束，第一個(gè)波束的輻 射方向?yàn)閭?〇91，妁)=(κ/6, π/2)·第二個(gè)波束的輻射方向?yàn)?〗2=(02,灼)=(π/6, 3π/2)，兩個(gè)波束 均有中心凹陷特性，最大增益約17dB。
[0096] 從圖15中可以看到兩個(gè)具有定向性的軌道角動(dòng)量電磁渦旋波束，第一個(gè)波束的輻 射方向?yàn)殛?duì)，％ >=(πΖ6，π/2)，第二個(gè)波束的輻射方向?yàn)檎?(免，於)=(π/6, 3π/2)，兩個(gè)波束 均有中心凹陷特性，最大增益約19dB。
[0097] 上述三個(gè)仿真結(jié)果表明，本發(fā)明基于反射型電磁超表面能同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)軌道角動(dòng) 量電磁渦旋波束，可應(yīng)用于無(wú)線通信系統(tǒng)中不同信號(hào)的調(diào)制和復(fù)用，增加軌道角動(dòng)量無(wú)線 通信系統(tǒng)的覆蓋范圍和通信容量。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種產(chǎn)生軌道角動(dòng)量渦旋多波束的方法，包括： 1) 選定幾何位置關(guān)系： 選定饋源（1)的中心相對(duì)位置_f/_、波束指向4=(?抑)、每個(gè)電磁超表面反射單元的第m 行第η列中心相對(duì)位置/L和直角坐標(biāo)下的坐標(biāo)(xmn，ymn)，其中是第k個(gè)波束與z軸正向的 夾角，卿是第k個(gè)波束在xoy面上的極坐標(biāo)方位角； 2) 計(jì)算補(bǔ)償相位矩陣： 給定工作頻率f和軌道角動(dòng)量本征模態(tài)lk，計(jì)算每個(gè)電磁超表面反射單元所需的補(bǔ)償相 位其中 Φ, = arg cos 巧 c夠務(wù) + sin 爲(wèi) sin % + i (-x_ sin % + cos 約)}表示中間變 量，m=l，2,…，M，n=l，2,…，N，M和N分別是電磁超表面反射單元的總行數(shù)和總列數(shù)，λ為電 磁波的工作波長(zhǎng)，€?為第m行第η列的電磁超表面反射單元的補(bǔ)償相位，i是復(fù)數(shù)中的虛數(shù) 單位； 3) 設(shè)計(jì)電磁超表面和相移網(wǎng)絡(luò)： 根據(jù)相移網(wǎng)絡(luò)所需補(bǔ)償相位C?選取MXN個(gè)不同尺寸的方形金屬貼片作為相移單元，BP 不同尺寸的金屬貼片補(bǔ)償相位與相移網(wǎng)絡(luò)所需相移量-一對(duì)應(yīng)，并將這些方形金屬貼 片印制到介質(zhì)基板上形成電磁超表面(2); 將金屬背板(3)放置于電磁超表面的背面，同時(shí)兼作接地板，進(jìn)而構(gòu)成相移網(wǎng)絡(luò)(4)。 4) 產(chǎn)生多個(gè)軌道角動(dòng)量渦旋波束： 將饋源（1)放置在電磁超表面(2)的中心軸向處，使饋源（1)產(chǎn)生的入射波經(jīng)過(guò)相移網(wǎng) 絡(luò)(4)反射，得到補(bǔ)償相位，該補(bǔ)償相位與饋源發(fā)出的入射波相位相加，產(chǎn)生朝著不同方向 輻射的多個(gè)軌道角動(dòng)量渦旋波束：其中A是電場(chǎng)幅值，表示波束在前進(jìn)方向4上呈現(xiàn)為渦旋波陣 面，體現(xiàn)為在傳播方向上觀察具有exp(ilk?k)的螺旋相位因子。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于饋源（1)采用喇叭天線。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(3)中根據(jù)相移網(wǎng)絡(luò)所需補(bǔ)償相位€"選 取MXN個(gè)不同尺寸的方形金屬貼片作為相移單元，按如下步驟進(jìn)行： 首先，使用全波數(shù)值仿真的方法計(jì)算方形貼片單元不同邊長(zhǎng)時(shí)的反射相移； 然后，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，繪制反射相移變化曲線； 最后，在繪制的反射相移變化曲線上，查找每個(gè)補(bǔ)償相位在曲線上的對(duì)應(yīng)坐標(biāo)位置，其 中橫軸坐標(biāo)位置即為所需方形貼片的邊長(zhǎng)尺寸，將它們分別印刷于介質(zhì)基板上對(duì)應(yīng)坐標(biāo) (Xmn，ymn)處，以得到超表面結(jié)構(gòu)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于金屬背板(3)的尺寸與電磁超表面的介質(zhì)基 板相同，且與介質(zhì)基板的間距為d，其中(1<λ，λ為電磁波的工作波長(zhǎng)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種軌道角動(dòng)量渦旋多波束產(chǎn)生方法，主要解決現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法在單一工作頻率下同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)面向不同方向輻射、模態(tài)數(shù)相同或不同軌道角動(dòng)量渦旋波束的問題。其實(shí)現(xiàn)方案是：選定饋源、波束輻射方向及每個(gè)反射單元的幾何位置；根據(jù)幾何位置、工作頻率及所需的軌道角動(dòng)量模態(tài)計(jì)算每個(gè)超表面反射單元所需補(bǔ)償相位矩陣；選擇不同尺寸的電磁超表面單元設(shè)計(jì)相移網(wǎng)絡(luò)；將饋源放置在電磁超表面的中心軸向處，使饋源發(fā)出的入射波照射到電磁超表面上，得到相移網(wǎng)絡(luò)提供的補(bǔ)償相位，產(chǎn)生在設(shè)定方向上具有渦旋波陣面的多個(gè)軌道角動(dòng)量電磁渦旋波束。本發(fā)明能有效增加軌道角動(dòng)量無(wú)線通信系統(tǒng)的容量和覆蓋范圍，用于無(wú)線通信系統(tǒng)中不同信號(hào)的調(diào)制和復(fù)用。
【IPC分類】H01Q3/26, H01Q1/36
【公開號(hào)】CN105680162
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610033500
【發(fā)明人】李龍, 余世星, 石光明, 劉海霞, 朱誠(chéng), 史琰, 周瀟瀟
【申請(qǐng)人】西安電子科技大學(xué)
【公開日】2016年6月15日
【申請(qǐng)日】2016年1月19日