[发明专利]在柱面阵列和锥面阵列上产生轨道角动量涡旋波束的方法

说明书

本发明公开了一种在柱面阵列和锥面阵列上产生轨道角动量涡旋波束的方法，它包括：步骤1、根据阵列天线的组阵原理，确定圆环阵的半径大小以及各阵元的位置关系；步骤2、将阵列转换为柱面阵列和锥面阵列后计算补偿相位；步骤3、对各天线单元进行极化校正，使各天线单元保持极化同向；步骤4、在电磁场仿真软件中构成天线系统产生轨道角动量涡旋波束；解决了现有技术产生轨道角动量产生装置整体剖面较大、可调性不好、应用性不强；相位补偿计算和极化修正等技术问题。

技术领域

本发明属于轨道角动量涡旋波束技术领域，尤其涉及一种在柱面阵列和锥面阵列上产生轨道角动量涡旋波束的方法。

背景技术

轨道角动量涡旋电磁波是目前领域内的研究热点之一。由于轨道角动量不同模式之间的正交性，其可以极大地提升通信系统中的信道容量，因此轨道角动量涡旋电磁波的模式在通信系统中有广泛的应用；目前在平面上激发轨道角动量涡旋电磁波的方法有许多种。在光学波段可以通过透射型或者反射型螺旋相位板、全息相位板等结构产生轨道角动量涡旋电磁波。在微波波段，可以通过超表面、天线阵列、螺旋天线等结构产生轨道角动量涡旋电磁波，但是依然有许多问题需要解决：一、由于超表面结构需要外加馈源照射，使用起来不方便，整体地剖面较大。二、超表面、螺旋天线一旦设计完成后功能确定不可调节。三、采用天线阵列结构产生轨道角动量涡旋电磁波的系统，依旧停留在平面阵上，对于在共形体上产生轨道角动量涡旋电磁波还没有具体的研究。其中柱面阵列和锥面阵列为共形天线阵的特例，如何在柱面和锥面上产生以及调控轨道角动量涡旋电磁波模式一直没有得到有效的解决。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种在柱面阵列和锥面阵列上产生轨道角动量涡旋波束的方法，以解决现有技术产生轨道角动量产生装置整体剖面较大、可调性不好、应用性不强；相位补偿计算和极化修正等技术问题。

本发明的技术方案是：

一种在柱面阵列和锥面阵列上产生轨道角动量涡旋波束的方法，它包括：

步骤1、根据阵列天线的组阵原理，确定圆环阵的半径大小以及各阵元的位置关系；

步骤2、将阵列转换为柱面阵列和锥面阵列后计算补偿相位；

步骤3、对各天线单元进行极化校正，使各天线单元保持极化同向；

步骤4、在电磁场仿真软件中构成天线系统产生轨道角动量涡旋波束。

步骤1所述确定圆环阵的半径大小以及各阵元的位置关系的方法为：圆环阵列半径R₁＝0.5λ时这个尺度下会导致轨道角动量涡旋波的轴向零场区域大；为了减小零场区域，增大阵列半径；

计算各天线单元的相对位置

其中R₁为阵列天线的圆环阵列半径；θ1为第一个单元与y轴的夹角。

补偿相位的计算方法为：将平面阵列转换为柱面阵列和锥面阵列后，对相位进行重新计算；采用平面阵列与锥面阵列产生轨道角动量涡旋波束时，各天线单元的相位为：

l为轨道角动量的模式数，(x_i,y_i,z_i)为天线单元的坐标位置；

采用圆柱阵列产生轨道角动量涡旋波束时，各天线单元的相位为：

(x_i,y_i,z_i)为天线单元的坐标位置，为自由空间中的波数。