[發(fā)明專利]一種基于時空熱聲超表面的軌道角動量多路復用方法

有效

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• 申請日: 2022-03-31
• 公開（公告）號: CN114696919B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發(fā)明（設計）人: 賈雨柔;程營;劉曉峻
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: H04B11/00
• 分類號: H04B11/00
• 代理公司: 江蘇法德東恒律師事務所 32305
• 代理人: 李媛媛

本發(fā)明公開了一種基于時空熱聲超表面的軌道角動量多路復用方法。該方法利用具有熱聲效應的超表面結構實現(xiàn)，超表面結構由多個單元排列構成，形成二進制的時空相位調制結構；其步驟為：利用電信號激勵超表面結構所有單元的電信號延遲，將具有不同軌道角動量的聲渦旋對應的相位分布加載到超表面結構上，實現(xiàn)軌道角動量多路復用；持續(xù)旋轉超表面結構，將上述具有不同軌道角動量的聲渦旋從基頻轉換到相應的諧頻位置，然后利用軌道角動量和諧頻的對應關系，分離和檢測出具有不同軌道角動量的聲渦旋。本發(fā)明的方法能夠實現(xiàn)不同軌道角動量聲渦旋的同步傳輸，并利用時間調制將不同軌道角動量聲渦旋轉換到不同諧頻位置，實現(xiàn)聲渦旋的實時傳輸和及時檢測。

技術領域

本發(fā)明具體涉及一種基于時空熱聲超表面的軌道角動量多路復用方法，屬于聲波信號傳輸領域。

背景技術

隨著現(xiàn)代信息技術產業(yè)的迅速發(fā)展，人們對信息的需求量日益增大，擴大通信系統(tǒng)的信道容量已成為通信領域一個亟待解決的問題。目前，聲通信技術主要圍繞聲波的基本物理維度展開，包括時間、頻率、幅值和相位等。利用這些聲波物理維度，催生了各種信號復用和調制技術，比如基于時間維度的時分復用技術、基于頻率維度的頻分復用技術、基于幅值/相位的正交振幅調制技術和差分相移鍵控技術等，有效解決了通信系統(tǒng)中如何擴大信道容量的問題。然而，現(xiàn)有物理維度的開發(fā)和利用幾乎到達了極限，容量短缺仍然是聲通信方向面臨的巨大挑戰(zhàn)。

近年來，聲波空間維度的探索為聲通信的可持續(xù)擴容提供了新思路，具有不同空間特征的結構聲場奠定了一種基于空間維度的空分復用技術，成為緩解容量需求的有效選擇之一。作為典型的結構聲場，聲渦旋為信道容量的擴大和傳輸速率的提高提供了簡單可靠的方法。聲渦旋具有螺旋型相位因子其中為方位角，l為軌道角動量模式值。理論上軌道角動量模式值l取值范圍無限，具有不同軌道角動量聲渦旋相互之間存在正交關系，意味著聲渦旋在傳輸過程中不發(fā)生混疊，在空間維度上可以作為一種獨立的信息通道。

目前，基于軌道角動量的復用技術將聲渦旋作為調制信號的載波，利用不同軌道角動量之間的正交性來實現(xiàn)多路信號的傳輸與接收，主要包括兩種方法：其一是在發(fā)射端使用不同軌道角動量聲渦旋作為復用信道來傳送信息，在接收端通過傳感器陣列對聲強和相位進行檢測，再利用內積算法對聲場進行解復用，從而實現(xiàn)多路軌道角動量信道的信息重構。該方法需要運用復雜的算法對傳感器陣列反饋的結果進行后處理，因而限制其進一步發(fā)展。其二是在不同軌道角動量聲渦旋作為復用信道傳輸信息過程中，利用軌道角動量為零的聲渦旋中心聲強不為零的特點，在接收端不同距離處連續(xù)放置超材料結構單元不斷降低聲渦旋的軌道角動量，將不同軌道角動量聲渦旋攜帶的信息依次有效地解調區(qū)分出來。該方法中聲渦旋軌道角動量增加相應地需要更多超材料結構單元，使得系統(tǒng)繁冗龐大不利于實際應用。

發(fā)明內容

發(fā)明目的：針對現(xiàn)有技術中存在的不足，本發(fā)明提供一種基于時空熱聲超表面的軌道角動量多路復用方法，能夠將不同軌道角動量聲渦旋同步加載到熱聲超表面的相位中實現(xiàn)軌道角動量多路復用，同時利用時空調制特性對不同軌道角動量聲渦旋進行頻率轉換實現(xiàn)其高效快速分離。

技術方案：為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為：

一種基于時空熱聲超表面的軌道角動量多路復用方法，利用具有熱聲效應的超表面結構實現(xiàn)，超表面結構由多個單元排列構成，形成二進制的時空相位調制結構；該方法包括以下步驟：利用電信號激勵超表面結構所有單元的電信號延遲，將具有不同軌道角動量的聲渦旋對應的相位分布加載到超表面結構上，實現(xiàn)軌道角動量多路復用；持續(xù)旋轉超表面結構，旋轉軸為聲渦旋的出射方向，將上述具有不同軌道角動量的聲渦旋從基頻轉換到相應的諧頻位置，然后利用軌道角動量和諧頻的對應關系，分離和檢測出具有不同軌道角動量的聲渦旋。

進一步地，所述超表面結構的旋轉速度為0～3600rpm。

進一步地，所述超表面結構包括圓片和碳納米管薄膜單元，碳納米管薄膜單元設置在圓片表面。

進一步地，所述碳納米管薄膜單元的形狀為正方形或者長方形，邊長為5mm～20mm。