一種用於軌道角動量無線通信模式的四維天線陣的製作方法

2023-05-06 00:53:36

本發明屬於天線技術領域，涉及到四維天線陣，具體涉及一種用於軌道角動量無線通信模式的四維天線陣。

背景技術：

傳統天線陣可以被看作是分布於三維空間的輻射源。四維天線陣是將時間變量作為第四維參數引入到傳統天線陣中而形成的一種新型陣列天線。它可以將傳統天線陣中的陣元幅度和相位加權通過時間加權的方式實現，從而大大簡化了饋電網絡的設計。相對於傳統天線陣，四維天線陣具有很多的設計優點，例如在陣列單元等幅同相激勵下可以實現低副瓣方向圖、無移相器波束掃描、多波束形成、寬角範圍測向、發射信號的方向調製等。在硬體結構上，四維天線陣是在傳統天線陣中增加一組高速射頻開關而構成的，通過開關的控制可以快速準確地調節四維天線陣的輻射特性，具有極大的設計靈活性。

在四維天線陣中，每個天線單元除了與可變衰減器和移相器相連接之外，還分別與一個高速射頻開關相連接。每個高速射頻開關的工作狀態(導通和斷開)則由複雜可編程邏輯器件(CPLD)控制。對於一個已經設計好的工作時序，我們可以向CPLD寫入相應的程序，使其輸出控制高速射頻開關工作狀態的邏輯信號，從而實現對每個天線單元接收信號的時間調製。最後，將N個通道的信號進行疊加並輸出。

軌道角動量(OAM)是經典力學和量子力學的基本物理量，其中OAM與光子的空間分布有關，是螺旋相位射線束的自然特性。在1992年荷蘭物理學家L.Allen首次發現拉蓋爾高斯渦旋光束，這種光束的波前是螺旋形狀的，並且含有光強為0的奇點。人們得出渦旋光束具有傳統通信方式上所用的載波光束沒有的特性，具有一種全新的自由度，即軌道角動量(OAM)。利用OAM可以獲得需要的電磁渦旋波，在正常電磁波上添加一個與空間相位角有關的旋轉相位因子ejlθ，即可將正常的電磁波轉變為電磁渦旋波。由於不同模式之間的正交性，所以在同一帶寬內可以並行傳輸多路的OAM波，並且不同模式的OAM波相互之間不會產生幹擾，頻譜的利用率得到顯著的提高。華中科技大學屈代明等人在公開號CN103812543A中提出一種利用軌道角動量提高無線通信容量的方法，通過軌道角動量中拓撲荷相互正交的物理特性進行通信，充分利用多輸入多輸出技術的潛力，復用軌道角動量，無需增加新的頻段即可有效提升容量，只要接收端天線的方位角滿足一定的等式關係，不改變通信系統的核心部件，可以得到最大的容量提升，所需的的代價較小，且對其他通信系統無影響，可應用於現有的各種無線通信系統。

多種OAM波產生裝置被提出，浙江大學屈代明等人在公開號CN 103474776A中提出一種基於環形行波天線產生射頻軌道角動量波束的方法，天線激勵源在圓環上呈行波傳播，通過調節圓環上各點的相位分布產生不同階數的OAM模式。Elettra Mari等人通過調整修正的螺旋拋物面天線的開口高度的得到需要的OAM模式。Wenlong Wei等人採用圓形移相器和貼片天線陣列結合的結構，通過改變圓形移相器的相位來得到需要的OAM模式。因此現有的OAM波的產生裝置每個結構只能產生一種模式或者需要利用移相器實現多種模式。

技術實現要素：

本發明的發明目的在於：針對上述存在的問題，提供了一種用於軌道角動量無線通信模式的四維天線陣，目的在於通過合適的時序設計同時產生多種OAM波以及確定能夠準確接收各階模式的區域大小和位置。

本發明中四維圓環天線陣由天線單元、高速射頻開關、功率分配器(簡稱功分器)和FPGA電路板組成；其中每個天線單元分別連接一個高速射頻開關，功率分配器經高速射頻開關與各天線單元相連；FPGA電路板控制所有開關的周期性通斷，即通過控制每個高速射頻開關控制天線單元通道，通過合理設計開關導通時序實現天線單元的幅度和相位加權，進而同時產生多種OAM模式。

本發明的四維圓環天線陣工作在中心頻率f0，開關的時間調製周期Tp，時間調製頻率fp＝1/Tp。具有脈衝平移時間調製方式的開關函數Uk(t)表示為：

根據信號與系統理論，開關的周期性函數的時域表達式可以通過傅立葉級數在頻域展開：

其中tk和τk分別代表第k個天線單元在一個時間周期內歸一化的導通時刻和導通時間，由於與軌道角動量的旋轉因子ejlθ相對應，所以當時序設計滿足tk＝2π/N時，四維圓環陣天線可以同時產生多種OAM模式，但是由於陣元數目有限，圓環陣能產生的OAM模式值|l|<N/2，包括正階模式和負階模式，考慮到本發明中正階模式和負階模式存在對稱性，因而後面僅討論正階模式。

弱場區域的存在是OAM波的固有性質，由於弱場區域的存在，勢必導致天線陣列能量分散，進而模式的傳輸距離變短，提高增益保證能量集中是必要的。本發明通過對比設計的三種時序來獲取四維圓環陣產生多種OAM模式的最佳時序。並且針對弱場區域對OAM模式傳輸的影響給出接收區域的大小、接收區域相對於天線距離以及準確的計算模式三者之間的關係。

具體的模式計算依據其中，Em和Bm分別代表在第m階邊帶的輻射電場強度和輻射磁場強度，Jmz和Wmz分別代表場在第m階邊帶沿著z方向的角動量密度和能流密度。c代表自由空間的光速。

綜上所述，由於採用了上述技術方案，本發明的有益效果是：

(1)通過合理的設計時序，四維圓環天線陣可以同時產生多種OAM波，產生的模式值滿足|l|<N/2(N代表圓環陣單元數目)，包括正階模式和負階模式，不同模式的產生主要來自於邊帶的貢獻，邊帶階數與OAM模式階數呈對應關係。本發明中的天線陣列形式既可以保證模式的多樣性又可以避免移相器和衰減器的使用進而簡化結構；

(2)由於OAM模式弱場區域的存在，模式傳輸的距離受到影響，有效提高增益也是本發明的重要目標，相對於「0—1」形式單刀單擲開關，採用「-1—1」形式單刀雙擲開關可以大幅度的提升四維圓環陣產生的各階模式的能量，並且提高饋電網絡的效率以及能量利用率；

(3)給出在接收區域一定時，接收位置相對於天線的距離與計算的模式之間的關係，由於弱場區域隨著模式數的增大而增大，因而模式階數越高能量越分散，因此確定接收區域的位置，有利於更好的接收需要的各階模式；

(4)給出不同接收區域的大小所對應的各階計算的模式能夠準確傳輸的相對於四維圓環陣天線的垂直距離的關係，這一關係主要通過各階模式的弱場區域得到，有利於在不同位置接收OAM模式時準確的設置接收區域的大小，便於準確接收需要的各階模式。

附圖說明

圖1為本發明中的四維圓環天線陣結構圖。

圖2為用於軌道角動量無線通信模式的四維天線陣所採用的「0—1」形式的單刀單擲開關的時序圖，其中陰影部分表示開關處於導通狀態。

圖3為用於軌道角動量無線通信模式的四維天線陣所採用的「0—1」形式的單刀單擲開關的時序圖，其中陰影部分表示開關處於導通狀態。

圖4為用於軌道角動量無線通信模式的四維天線陣所採用的「-1—1」形式的單刀雙擲開關的時序圖，本專利中的「-1—1」形式代表兩種開關狀態的相位相反。其中斜線陰影部分表示開關接「1」狀態，柵格陰影部分表示開關接「-1」狀態。

圖5為採用圖2-4開關形式下的四維圓環天線陣產生OAM模式能量對比圖。

圖6為接收區域為半徑為4λ時，接收位置相對於四維圓環天線陣的垂直距離與計算的模式之間的關係。

圖7為在計算的模式準確的情況下，接收區域大小與接收位置相對於四維圓環天線陣的垂直距離之間的關係。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面結合實施方式和附圖，對本發明作進一步地詳細描述。

實施例

參照圖1，本實施例中採用8個偶極子陣列單元構成的四維圓環天線陣。該陣列天線主要包括天線單元、開關、功分器和FPGA電路板。在該對稱陣列結構中，天線單元為均勻分布在半徑R＝0.75λ的圓環上。每個單元受開關控制，所有的開關由FPGA電路板控制。

通過設計三種不同時序給出四維圓環天線陣同時產生多種OAM模式的最佳時序設計。圖2，圖3均採用「0—1」開關依次導通8個單元，陰影部分代表開關處於導通狀態。在一個調製周期內，圖2時序代表每個單元導通0.125個周期，圖3代表每個單元導通0.875個周期。由於圖2時序開關導通時間短，在一個周期內每個單元工作時間短勢必造成能量的浪費。因而與圖2中的時序相比圖三時序可以大幅度的提升各階模式能量，提高能量的利用率。

圖4採用「-1—1」開關，每個單元依次接「1」狀態，斜線陰影部分代表開關接「1」狀態，網格陰影部分代表開關接「-1」狀態，由於單元始終處於導通狀態，因而相對於圖3中的時序，圖2時序可以在模式l＝0能量基本保持不變的情況下其餘各階模式能量均得到大幅度的提升，在提高饋電網絡效率的同時提高了能量利用率。

採用圖2，圖3，圖4的三種時序情況下四維圓環天線陣產生的各階OAM模式的幅度對比圖如圖5所示。圖中各階模式對比得到，採用圖4時序對於四維圓環天線陣產生OAM模式這一發明具有明顯優勢。圖6給出在接收區域半徑為4λ時，接收位置相對於四維圓環天線陣的距離與計算模式準確性之間的關係。由圖5給出的幅度對比圖可以得到OAM模式弱場區域隨著模式階數的增大而增大這一固有性質，因而能量也會隨著模式階數的增大而更加發散，因而傳輸距離更短。根據這一特性，本發明給出了接收區域大小與準確接收計算的各階模式位置的關係，如圖7所示。這一關係的得到主要利用OAM各階模式的弱場區域大小。兩者之間的線性關係有利於確定準確接收各階模式的位置以及區域大小。

以上所述，僅為本發明的具體實施方式，本說明書中所公開的任一特徵，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特徵加以替換；所公開的所有特徵、或所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特徵和/或步驟以外，均可以任何方式組合。