一種產(chǎn)生渦旋電磁波的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種產(chǎn)生渦旋電磁波的方法。對陣元總數(shù)為n的陣列天線,通過給各陣元施加等幅、相位依次相差2πl(wèi)/n的激勵來產(chǎn)生OAM模式為l或?l(l或?l通過相位差沿順時針或逆時針方向變化或通過相位差遞增或遞減來控制)的渦旋電磁波,陣元總數(shù)n與拓?fù)浜蒷僅需滿足關(guān)系|l|<n/2。本發(fā)明提出的渦旋電磁波產(chǎn)生方法簡單易行,陣列單元形式不限,陣元排布方式靈活,通過調(diào)節(jié)陣元數(shù)目和陣元排布方式可以實現(xiàn)具有不同OAM模式的渦旋電磁波,通過適當(dāng)組合可以產(chǎn)生多個OAM模式同時工作的渦旋電磁波。
【專利說明】
_種產(chǎn)生滿旋電磁波的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于電磁場微波技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種產(chǎn)生渦旋電磁波的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由麥克斯韋經(jīng)典電磁理論可知電磁輻射可以同時載有能量和動量,動量包括線性 動量和角動量。角動量分為自旋角動量(Spin Angular Momentum,SAM)和軌道角動量 (Orbital Angular Momentum,0AM)。作為電磁波的一個基本物理屬性,OAM的本征態(tài)具有形 如的相位因子,1即為OAM的模式,又稱為拓?fù)浜?Topological Charge,TC),代表OAM的 空間分布。普通的電磁波OAM模式為1 = 0,等相位面為平面;如果波束被扭曲,電磁波的OAM 模式不為零,將導(dǎo)致波前以螺旋狀態(tài)旋轉(zhuǎn)于波的傳播方向,且波前中心的場強(qiáng)為零,這種具 有螺旋狀相位波前的特殊電磁波就是渦漩電磁波。渦旋電磁波可由普通電磁波添加相位因 子產(chǎn)生,表達(dá)式為式中A(r)為電磁波幅值,r為到波束中心軸線的輻射距 離。
[0003] 目前,以螺旋相位板和陣列天線為主產(chǎn)生渦旋電磁波的方法已有報道,如文獻(xiàn) [Zhu L. ,ffei X. , Wang J. ,et al. ,Experimental demonstration of basic functionalities for 0.I-THz orbital angular momentum(OAM)communications[C], Optical Fiber Communication Conference,Optical Society of America,2014:M3K.7] 和[Wei ff.,Mahdjoubi K.,Brousseau C.,et al.,Generation of 0AM waves with circular phase shifter and array of patch antennas[J],Electronics Letters, 2015,51 (6): 442-443 ]等,實現(xiàn)了單個0AM模式的渦旋電磁波。
[0004] 文南犬[Tennant A.,Allen B.,Generation of radio frequency 0AM radiation modes using circular time-switched and phased array antennas[C], IEEE Antennas and Propagation Conference(LAPC) ,Loughborough,2012:1-4]米用時控開關(guān)陣列,產(chǎn)生 了多個OAM模式的渦旋電磁波,但這種方法產(chǎn)生的多個OAM模式不在同一頻率。
[0005] 文獻(xiàn)[Cheng L· ,Hong ff. ,Hao Z.C. ,Generation of electromagnetic waves with arbitrary orbital angular momentum modes[J],Scientific reports,2014:1-5] 基于透鏡原理在同一頻率產(chǎn)生了多個0AM模式,但是需要在介質(zhì)基板上精確鉆孔來控制輸 出相位,且為電大結(jié)構(gòu)。由此,探索一種簡單易行的渦旋電磁波產(chǎn)生方法對微波工程具有重 要價值和意義。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種產(chǎn)生渦旋電磁波的方法,所提方法簡單易行、方便靈 活,可實現(xiàn)任意OAM模式的渦旋電磁波。
[0007] 為實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0008] -種基于相控陣原理產(chǎn)生渦旋電磁波的方法,具體步驟如下:
[0009] 步驟1.針對需要生成OAM模式為1的渦旋電磁波,構(gòu)建一個陣元總數(shù)為η的平面陣 列天線,如圖1所示,其中陣元數(shù)η應(yīng)滿足111 <n/2;所述η個陣元在陣面上為非直線排布并構(gòu) 成一條封閉曲線,選取其中任意一個陣元編號為1,以1號陣元為起點沿所述封閉曲線的順 時針或者逆時針方向依次將剩余陣元編號為2、3、…、η;
[0010] 步驟2.所有陣元的激勵相位以陣元編號為序呈等差數(shù)列排布,所述等差數(shù)列以1 號陣元的激勵相位Ct1為首項、相位遞進(jìn)公差為2311/η或者-2311/η;
[0011] 步驟3.對所有陣元施加等幅且相位滿足步驟2所述設(shè)定的激勵,即可產(chǎn)生OAM模式 為1的渦旋電磁波。
[0012] 對于所述陣元總數(shù)為η的陣列天線,所有天線單元可以排列在三角形或同心圓周 或橢圓周上,陣面形狀即所述封閉曲線可以是三角形、矩形、圓形、橢圓形或其他多邊形;所 述陣列天線的陣元形式不限,可以是微帶貼片天線,例如矩形或者圓形微帶貼片天線,也可 以是單極子天線或偶極子天線等。
[0013] 進(jìn)一步的,通過對陣元最大間距dmax進(jìn)行限制,即滿足Κλ,其中λ為所述陣列天 線工作頻率對應(yīng)的波導(dǎo)波長,可避免出現(xiàn)過高柵瓣。
[0014] 通過調(diào)整陣元總數(shù)η或改變陣元的排布方式可增強(qiáng)渦旋電磁波的渦旋效果。
[0015] 本發(fā)明的有益效果是:
[0016] 本發(fā)明提出的渦旋電磁波產(chǎn)生方法簡單易行,陣列天線的陣元形式不限,陣元的 排布方式靈活;通過調(diào)節(jié)陣元數(shù)目和陣元排布方式,可以產(chǎn)生任意OAM模式的渦旋電磁波; 此外,通過適當(dāng)組合可以同時實現(xiàn)具有多個OAM模式的渦旋電磁波,因而進(jìn)一步豐富和發(fā)展 了微波工程的相應(yīng)理論與技術(shù)。
【附圖說明】
[0017] 圖1為用于產(chǎn)生渦旋電磁波的陣列天線結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018] 圖2為本發(fā)明【具體實施方式】提供的單個陣元模型。
[0019] 圖3為本發(fā)明【具體實施方式】中的單個陣元反射特性曲線。
[0020]圖4為本發(fā)明【具體實施方式】中的單個陣元電場的相位分布圖。
[0021]圖5為本發(fā)明實施例1提供的陣列天線模型。
[0022]圖6為本發(fā)明實施例1提供的陣列天線的電場相位分布圖。
[0023]圖7為本發(fā)明實施例2提供的陣列天線模型。
[0024]圖8為本發(fā)明實施例2提供的陣列天線的電場相位分布圖。
[0025] 圖9為本發(fā)明實施例3提供的陣列天線模型。
[0026] 圖10為本發(fā)明實施例3提供的陣列天線的電場相位分布圖。
[0027] 圖11為本發(fā)明實施例4提供的陣列天線模型。
[0028] 圖12為本發(fā)明實施例4提供的陣列天線的電場相位分布圖。
[0029] 圖13為本發(fā)明實施例5提供的陣列天線模型。
[0030] 圖14為本發(fā)明實施例5提供的陣列天線的電場相位分布圖。
[0031] 圖15為本發(fā)明實施例6提供的陣列天線模型。
[0032]圖16為本發(fā)明實施例6提供的陣列天線的電場相位分布圖。
[0033]圖17為本發(fā)明實施例7提供的陣列天線模型。
[0034]圖18為本發(fā)明實施例7提供的陣列天線的電場相位分布圖。
【具體實施方式】
[0035] 下面結(jié)合具體實施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
[0036] 圖1為本發(fā)明提出的用于產(chǎn)生渦旋電磁波的陣列天線結(jié)構(gòu)示意圖(陣元數(shù)為η),其 中k(k=l,2,…,k,···,!〇為陣元編號,d max為所述陣列天線的陣元最大間距。這里,為控制柵 瓣電平,需對陣元最大間距CUx進(jìn)行限制,即d max<A,其中λ為所述陣列天線工作頻率對應(yīng)的 波導(dǎo)波長。對于所述陣元總數(shù)為η的陣列天線,所有天線單元可以排列在三角形或位于同心 圓環(huán)或橢圓環(huán)上,所有天線單元圍成的陣面形狀可以是三角形、矩形、圓形、橢圓形或其他 多邊形;所述陣列天線的陣元形式不限,可以是矩形微帶貼片天線、圓形微帶貼片天線或單 極子、偶極子天線等。
[0037] 本【具體實施方式】以η = 4元陣列天線為例,實現(xiàn)OAM模式為1的渦旋電磁波。由于所 述陣列天線的陣元形式不限,實施例選擇成本低、制作簡單,廣泛使用的單極子天線。
[0038] 單極子天線由金屬地板和垂直于地板的金屬細(xì)圓柱體組成,通過地板端進(jìn)行饋 電。采用CST全波仿真器進(jìn)行數(shù)值計算,天線模型如圖2所示,工作頻率f為2.5GHz,地板位于 xoy平面,為減小地板影響,地板直徑D取為三倍工作波長,即360mm,厚度h為1.5mm,經(jīng)優(yōu)化 計算,取天線長度L為26.62mm,金屬細(xì)圓柱體直徑Do為1mm,得到的反射參數(shù)Sn如圖3所示, 可看出諧振頻率為2.5GHz,諧振點處的回波損耗為42dB左右,圖4為陣單元的電場相位分布 圖。
[0039] 實施例1
[0040]確定陣元尺寸后,在本實施例中,將4個陣元排列在三角形邊緣上,陣面形狀為直 角三角形,4元陣列天線位于xoy面,CST仿真模型如圖5所示??紤]到陣列天線的陣元最大間 距dmax對柵瓣的影響,取相鄰陣元間距d為0.1λ(λ為諧振頻率對應(yīng)的自由空間波長),即 24mm,陣元最大間距d max小于一個波長,即120mm。第一個陣元的激勵相位為Ct1,控制其他陣 元的激勵相位依次增加2π1/ η = 90°,從而實現(xiàn)OAM模式I = 1的渦旋電磁波。圖6為實施例1的 電場相位分布圖,可見電場相位沿圓周一圈變化2π,對應(yīng)于OAM模式I = 1的禍旋電磁波。 [0041 ] 實施例2
[0042]圖7為實施例2的CST仿真模型,與實施例1的區(qū)別在于陣面形狀為銳角三角形,圖8 為實施例2的電場相位分布圖。
[0043] 實施例3
[0044]圖9為實施例3的CST仿真模型,與實施例1的區(qū)別在于陣面形狀為鈍角三角形,圖 10為實施例3的電場相位分布圖。
[0045] 實施例4
[0046] 圖11為實施例4的CST仿真模型,與實施例1的區(qū)別在于陣面形狀為凸四邊形,陣列 天線的單元為不等間距排列,陣元間距在0. U至0.2λ范圍內(nèi)取值,圖12為實施例4的電場相 位分布圖。
[0047] 實施例5
[0048] 圖13為實施例5的CST仿真模型,與實施例1的區(qū)別在于陣面形狀為凹四邊形,陣元 間距分別為21.6mm和13.4mm。圖14為實施例5的電場相位分布圖。
[0049] 實施例6
[0050]圖15為實施例6的CST仿真模型,與實施例1的區(qū)別在于陣元等間距排布在圓弧上, 圓弧所在圓的半徑為12mm,圓弧的角度為90°。圖16為實施例6的電場相位分布圖。
[0051 ] 實施例7
[0052]圖17為實施例7的CST仿真模型,與實施例1的區(qū)別在于陣元均勻排布在圓環(huán)上,圓 環(huán)半徑為12mm。圖18為實施例7的電場相位分布圖。
[0053]上述7個實施例僅為本發(fā)明用于實現(xiàn)OAM模式I = 1的部分實施例,通過相應(yīng)的仿真 結(jié)果可以看出都實現(xiàn)了 OAM模式1 = 1的渦旋電磁波。對比結(jié)果發(fā)現(xiàn),陣列輪廓形狀越趨于 圓,效果越好,且當(dāng)陣元均勻排布在圓環(huán)上時,效果最好。
[0054]本發(fā)明提出的渦旋電磁波產(chǎn)生方法,對于一個陣元總數(shù)為η的陣列天線,所有陣元 可以等間距也可以不等間距排布;可通過增加陣元數(shù)目或調(diào)節(jié)陣元激勵的相位差來產(chǎn)生高 階OAM模式的渦旋電磁波;此外,可以通過調(diào)整陣元排布方式使陣列輪廓形狀趨于圓或在不 改變陣元排布方式的情況下增加陣元數(shù)目來更好地實現(xiàn)所需OAM模式;所述陣列天線的陣 元形式不受限,可綜合考慮系統(tǒng)指標(biāo)、天線成本等因素進(jìn)行選擇;所述天線各部分的尺寸也 可以選用其他長度,比如同比例放大或縮小;通過采取相應(yīng)措施即可調(diào)節(jié)其工作帶寬,這對 相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是顯而易見的。
【主權(quán)項】
1. 一種產(chǎn)生渦旋電磁波的方法,包括以下步驟: 步驟1.針對需要生成軌道角動量模式為1的渦旋電磁波,構(gòu)建一個陣元總數(shù)為η的平面 陣列天線,其中陣元總數(shù)η應(yīng)滿足111 <η/2;所述η個陣元在陣面上為非直線排布并構(gòu)成一條 封閉曲線,選取其中任意一個陣元編號為1,以1號陣元為起點沿所述封閉曲線的順時針或 者逆時針方向依次將剩余陣元編號為2、3、…、η; 步驟2.所有陣元的激勵相位以編號為序呈等差數(shù)列排布,所述等差數(shù)列以1號陣元的 激勵相位αι為首項、相位遞進(jìn)公差為2π1/η或者-2π1/η; 步驟3.對所有陣元施加等幅、相位滿足步驟2所述設(shè)定的激勵,即可產(chǎn)生ΟΑΜ模式為1的 渦旋電磁波。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生渦旋電磁波的方法,其特征在于,所述封閉曲線為圓形、 橢圓形或多邊形。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生渦旋電磁波的方法,其特征在于,所述陣元為微帶貼片天 線、單極子天線或偶極子天線。4. 根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的產(chǎn)生渦旋電磁波的方法,其特征在于,陣元最大間距dmax 滿足dmax<A,其中λ為所述陣列天線工作頻率對應(yīng)的波導(dǎo)波長。
【文檔編號】H01Q21/20GK106058490SQ201610383709
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月1日
【發(fā)明人】李家林, 張香博, 張明, 張一明, 王秉中
【申請人】電子科技大學(xué)