[發明專利]一種全向圓極化渦旋電磁波的產生方法

有效

• 申請號: 201910853315.3
• 申請日: 2019-09-10
• 公開（公告）號: CN110600879B
• 公開（公告）日: 2020-12-08
• 發明（設計）人: 衣建甲;李蝶;朱麗娜;劉晨晨;郭明濤;楊龍
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H01Q1/50
• 分類號: H01Q1/50;H01Q15/00;H01Q15/02;H01Q15/24;G06F30/20
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心 61205
• 代理人: 程曉霞;王品華

本發明提出了一種全向圓極化渦旋電磁波的產生方法，解決了現有技術中存在的全向渦旋電磁波增益較低、實現圓極化困難的技術問題。實現過程包括：設計圓環柱狀超表面透鏡組件的透鏡形狀；設置透鏡組件參數；計算其期望渦旋電磁波相位分布、初始模型的金屬層幾何旋轉角度分布；建立透鏡組件初始模型和全波仿真；計算其匯聚相位分布及最終模型的金屬層幾何旋轉角度分布；得到透鏡組件最終模型，對其進行全波仿真驗證。本發明將由透射單元結構周期排列組成的平面超表面透鏡共形到圓柱表面上，構成一個圓環柱狀的超表面透鏡組件。本發明具有增益較高、圓極化純度較高、饋電簡單的優點，可用于通信領域。

技術領域

本發明屬于通信技術領域，涉及渦旋電磁波的產生方法，具體是一種全向圓極化渦旋電磁波的產生方法，可用于無線通信技術領域。

背景技術

渦旋電磁波是一種攜帶軌道角動量的特殊電磁波，該電磁波具備的無限種正交軌道角動量模態使其在無線通信領域中可以顯著提升信道容量。由于渦旋波獨特的電磁性質，其中心暗核隨拓撲荷數的增加而增大，即發散程度隨拓撲荷數的增加而增大。針對這一特點，現有技術中通過各種匯聚方法收攏波束主瓣的輻射仰角，以降低其發散程度。通過這種減小發散角度改善渦旋波波束固有發散特性的方法，解決了渦旋電磁波在無線傳輸中，隨著傳輸距離的增大，環形波束半徑增大導致的能量擴散現象，間接提高了波束遠距離傳輸的能力。

隨著無線通信接收設備對渦旋波波束輻射角度范圍提出更高的要求，對波束輻射方向和波束輻射平面的需求也都是多樣化的。渦旋波波束固有的非軌道平面的輻射方向使其無法滿足無線通信接收設備無死角接收渦旋波波束的需求，這也使得其應用到無線通信技術鄰域受到極大的限制。

施麗錚、陳麗玲等人在其發表的論文“Realization of Beam Steering Based onPlane Spiral Orbital Angular Momentum Wave”(IEEE Transactions on Antennas andPropagation 10.1109/TAP.2017.2786297 1558-2221 2018年3月)中，公開了一種全向渦旋電磁波的產生方法。該方法先由圓性縫隙天線產生渦旋電磁波；再經圓形縫隙天線與環形喇叭之間的諧振腔對波束進行偏轉，使得渦旋波波束集中分布于軌道平面內；借助饋源輸出的兩路本征模式信號對不同本征模式數的渦旋電磁波進行波束疊加和波束能量聚焦，使得渦旋波波束以高度定向的方式進行輻射。該裝置的優點是通過環形喇叭開口位于軌道平面的特點結合圓形縫隙天線與環形喇叭之間的諧振腔，實現渦旋波波束的偏轉，使得渦旋波波束集中分布于軌道平面內。

該產生方法存在的不足之處是：經混合耦合器輻射出的渦旋波波束，雖然波束可分布在軌道平面內，但是由于諧振腔的局限性，導致得到的全向渦旋電磁波的波束增益較低；此外，該方法產生的全向渦旋波是線極化的，但線極化的極化方式在通信領域中存在極化失配的缺點。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術的不足和缺陷，提出一種增益較高、圓極化純度較高、饋電簡單的全向圓極化渦旋電磁波的產生方法。

本發明是一種全向圓極化渦旋電磁波的產生方法，其特征在于：包括有如下步驟：

(1)設計透鏡形狀：將特定的透射單元結構進行周期排列得到的平面超表面共形到周長與平面超表面長度相等的圓柱面上，形成圓環柱狀超表面透鏡組件，以實現水平360°全方向范圍的相位調控，將饋源產生的全向圓極化電磁波轉換為全向圓極化渦旋電磁波；

(2)設置參數：圓環柱狀超表面透鏡組件的中心和饋源的中心重疊，以該中心建立笛卡爾直角坐標系oxyz，設置工作頻率f、透射單元結構行數M、透射單元結構列數N、透射單元結構的單元周期P、軌道角動量模態L；M、N、L均為整數；