[发明专利]一种基于多圈UCA的涡旋电磁波发散角度调节方法

说明书

本发明提供一种基于多圈UCA的涡旋电磁波发散角度调节方法，包括：确定多圈UCA的每一圈UCA的半径；确定遗传算法的基本参数以及优化角度集合，优化角度集合的每个元素分别表示OAM涡旋电磁波波束的一个优化发散角度；对优化角度集合中每一个优化发散角度执行遗传算法优化，得到优化结果；根据得到的优化结果调节OAM涡旋电磁波的发散角度。本发明的基于多圈UCA的涡旋电磁波发散角度调节方法利用遗传算法与多圈UCA结合，通过遗传算法优化多圈UCA的能量、附加相位、模式以实现涡旋电磁波发散角度的灵活调整，此外，同时给出不同发散角度下的优化结果，可以快速调整涡旋电磁波的发散角度。

技术领域

本发明涉及无线通信系统领域，具体涉及一种基于多圈UCA的涡旋电磁波发散角度调节方法。本发明的方法适用于微波与毫米波段以上的基于OAM电磁波的通信、雷达成像系统。

背景技术

根据量子力学与麦克斯韦方程组，电磁波具有波粒二象性，可以像粒子一样携带线动量与角动量。电磁波的角动量可分为自旋角动量(Spin Angular Momentum，SAM)和轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)。其中SAM与电磁波的极化相关，具体表现为电磁波的左旋极化或右旋极化。如图1所示，OAM与电磁波的空间分布相关，具体表现为电磁波波束具有螺旋状的等相位面，因此携带OAM的电磁波也被称为涡旋电磁波。涡旋电磁波中每个光子携带的轨道角动量，l称为拓扑荷且取值为整数，为约化普朗克常数。携带不同轨道角动量的涡旋电磁波的OAM模式彼此正交。不同的OAM模态构成了一个无穷维度的希尔伯特空间，在通信中可以利用OAM模态的正交性进行复用通信。OAM模态为无线通信系统提供了码字、频率、时间之外的新的复用维度，可以大幅度提升无线通信系统的系统容量与通信速度^[1,2]。同时携带轨道角动量的涡旋电磁波含有的相位因子，为方位角。与平面电磁波相比携OAM的涡旋电磁波在回波中携带成像目标的方位信息。基于涡旋电磁波的雷达可以同时探测目标的距离和方位信息，所以目前在雷达探测领域具有巨大的应用潜力^[3]。

目前有多种方法发射OAM涡旋电磁波。在光波段可采用螺旋相位板发射OAM涡旋电磁波^[4]，在低频段有抛物面天线^[1]、超表面材料^[5]、均匀圆环(UCA)阵列天线^[6]等装置发射涡旋电磁波。

在微波波段及毫米波段由于UCA阵列天线发射OAM涡旋电磁波模式的灵活性，UCA阵列天线成为了主要的OAM涡旋电磁波发射方法。UCA阵列天线由N个在圆上均匀分布的天线阵元组成，相邻天线阵元间相位差Δφ＝2πl/N，l为OAM涡旋电磁波的模式数。如图2所示为N＝8、OAM模式为1的UCA阵列天线示意图。图中数字表示天线阵元激励相位。

采用UCA阵列天线发射涡旋电磁波时，涡旋电磁波波束发散角度与UCA阵列半径、OAM涡旋电磁波模式数、发射信号频率有关^[7]。涡旋电磁波波束发散角度与UCA阵列半径、OAM涡旋电磁波的模式数、发射信号频率的关系可以由公式(1)拟合：

式中，β表示涡旋电磁波波束发散角度，l’表示OAM涡旋电磁波的模式数l的绝对值。f表示发射信号的频率。r表示UCA阵列的半径。

从公式(1)中可以看出涡旋电磁波波束发散角度和OAM涡旋电磁波模式数的绝对值成正比，与发射信号频率、UCA阵列半径成反比。

采用单圈UCA阵列发射涡旋电磁波且载频确定时仅有OAM模式一个变量可以用于调节涡旋电磁波波束发散角度。而UCA阵列可以发射的OAM模态是有限的，由N个天线阵元组成的UCA阵列可以发射的模态范围为UCA发射的涡旋电磁波的阵因子可由公式(2)表示：