本發(fā)明屬于天線技術(shù)領(lǐng)域，涉及到四維天線陣，具體涉及一種用于軌道角動量無線通信模式的四維天線陣。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)天線陣可以被看作是分布于三維空間的輻射源。四維天線陣是將時間變量作為第四維參數(shù)引入到傳統(tǒng)天線陣中而形成的一種新型陣列天線。它可以將傳統(tǒng)天線陣中的陣元幅度和相位加權(quán)通過時間加權(quán)的方式實現(xiàn)，從而大大簡化了饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計。相對于傳統(tǒng)天線陣，四維天線陣具有很多的設(shè)計優(yōu)點，例如在陣列單元等幅同相激勵下可以實現(xiàn)低副瓣方向圖、無移相器波束掃描、多波束形成、寬角范圍測向、發(fā)射信號的方向調(diào)制等。在硬件結(jié)構(gòu)上，四維天線陣是在傳統(tǒng)天線陣中增加一組高速射頻開關(guān)而構(gòu)成的，通過開關(guān)的控制可以快速準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)四維天線陣的輻射特性，具有極大的設(shè)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(guān)相連接。每個高速射頻開關(guān)的工作狀態(tài)(導(dǎo)通和斷開)則由復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)控制。對于一個已經(jīng)設(shè)計好的工作時序，我們可以向CPLD寫入相應(yīng)的程序，使其輸出控制高速射頻開關(guān)工作狀態(tài)的邏輯信號，從而實現(xiàn)對每個天線單元接收信號的時間調(diào)制。最后，將N個通道的信號進行疊加并輸出。

軌道角動量(OAM)是經(jīng)典力學(xué)和量子力學(xué)的基本物理量，其中OAM與光子的空間分布有關(guān)，是螺旋相位射線束的自然特性。在1992年荷蘭物理學(xué)家L.Allen首次發(fā)現(xiàn)拉蓋爾高斯渦旋光束，這種光束的波前是螺旋形狀的，并且含有光強為0的奇點。人們得出渦旋光束具有傳統(tǒng)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(guān)的旋轉(zhuǎn)相位因子e^jlθ，即可將正常的電磁波轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶艤u旋波。由于不同模式之間的正交性，所以在同一帶寬內(nèi)可以并行傳輸多路的OAM波，并且不同模式的OAM波相互之間不會產(chǎn)生干擾，頻譜的利用率得到顯著的提高。華中科技大學(xué)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(shù)的潛力，復(fù)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(guān)系，不改變通信系統(tǒng)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(tǒng)無影響，可應(yīng)用于現(xiàn)有的各種無線通信系統(tǒng)。

多種OAM波產(chǎn)生裝置被提出，浙江大學(xué)屈代明等人在公開號CN 103474776A中提出一種基于環(huán)形行波天線產(chǎn)生射頻軌道角動量波束的方法，天線激勵源在圓環(huán)上呈行波傳播，通過調(diào)節(jié)圓環(huán)上各點的相位分布產(chǎn)生不同階數(shù)的OAM模式。Elettra Mari等人通過調(diào)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等人采用圓形移相器和貼片天線陣列結(jié)合的結(jié)構(gòu)，通過改變圓形移相器的相位來得到需要的OAM模式。因此現(xiàn)有的OAM波的產(chǎn)生裝置每個結(jié)構(gòu)只能產(chǎn)生一種模式或者需要利用移相器實現(xiàn)多種模式。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的發(fā)明目的在于：針對上述存在的問題，提供了一種用于軌道角動量無線通信模式的四維天線陣，目的在于通過合適的時序設(shè)計同時產(chǎn)生多種OAM波以及確定能夠準(zhǔn)確接收各階模式的區(qū)域大小和位置。

本發(fā)明中四維圓環(huán)天線陣由天線單元、高速射頻開關(guān)、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(guān)，功率分配器經(jīng)高速射頻開關(guān)與各天線單元相連；FPGA電路板控制所有開關(guān)的周期性通斷，即通過控制每個高速射頻開關(guān)控制天線單元通道，通過合理設(shè)計開關(guān)導(dǎo)通時序?qū)崿F(xiàn)天線單元的幅度和相位加權(quán)，進而同時產(chǎn)生多種OAM模式。

本發(fā)明的四維圓環(huán)天線陣工作在中心頻率f₀，開關(guān)的時間調(diào)制周期T_p，時間調(diào)制頻率f_p＝1/T_p。具有脈沖平移時間調(diào)制方式的開關(guān)函數(shù)U_k(t)表示為：

根據(jù)信號與系統(tǒng)理論，開關(guān)的周期性函數(shù)的時域表達式可以通過傅里葉級數(shù)在頻域展開：

其中t_k和τ_k分別代表第k個天線單元在一個時間周期內(nèi)歸一化的導(dǎo)通時刻和導(dǎo)通時間，由于與軌道角動量的旋轉(zhuǎn)因子e^jlθ相對應(yīng)，所以當(dāng)時序設(shè)計滿足t_k＝2π/N時，四維圓環(huán)陣天線可以同時產(chǎn)生多種OAM模式，但是由于陣元數(shù)目有限，圓環(huán)陣能產(chǎn)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(fā)明中正階模式和負階模式存在對稱性，因而后面僅討論正階模式。

弱場區(qū)域的存在是OAM波的固有性質(zhì)，由于弱場區(qū)域的存在，勢必導(dǎo)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(fā)明通過對比設(shè)計的三種時序來獲取四維圓環(huán)陣產(chǎn)生多種OAM模式的最佳時序。并且針對弱場區(qū)域?qū)AM模式傳輸?shù)挠绊懡o出接收區(qū)域的大小、接收區(qū)域相對于天線距離以及準(zhǔn)確的計算模式三者之間的關(guān)系。

具體的模式計算依據(jù)其中，E_m和B_m分別代表在第m階邊帶的輻射電場強度和輻射磁場強度，J_mz和W_mz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，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：

(1)通過合理的設(shè)計時序，四維圓環(huán)天線陣可以同時產(chǎn)生多種OAM波，產(chǎn)生的模式值滿足|l|<N/2(N代表圓環(huán)陣單元數(shù)目)，包括正階模式和負階模式，不同模式的產(chǎn)生主要來自于邊帶的貢獻，邊帶階數(shù)與OAM模式階數(shù)呈對應(yīng)關(guān)系。本發(fā)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(jié)構(gòu)；

(2)由于OAM模式弱場區(qū)域的存在，模式傳輸?shù)木嚯x受到影響，有效提高增益也是本發(fā)明的重要目標(biāo)，相對于“0—1”形式單刀單擲開關(guān)，采用“-1—1”形式單刀雙擲開關(guān)可以大幅度的提升四維圓環(huán)陣產(chǎn)生的各階模式的能量，并且提高饋電網(wǎng)絡(luò)的效率以及能量利用率；

(3)給出在接收區(qū)域一定時，接收位置相對于天線的距離與計算的模式之間的關(guān)系，由于弱場區(qū)域隨著模式數(shù)的增大而增大，因而模式階數(shù)越高能量越分散，因此確定接收區(qū)域的位置，有利于更好的接收需要的各階模式；

(4)給出不同接收區(qū)域的大小所對應(yīng)的各階計算的模式能夠準(zhǔn)確傳輸?shù)南鄬τ谒木S圓環(huán)陣天線的垂直距離的關(guān)系，這一關(guān)系主要通過各階模式的弱場區(qū)域得到，有利于在不同位置接收OAM模式時準(zhǔn)確的設(shè)置接收區(qū)域的大小，便于準(zhǔn)確接收需要的各階模式。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中的四維圓環(huán)天線陣結(jié)構(gòu)圖。

圖2為用于軌道角動量無線通信模式的四維天線陣所采用的“0—1”形式的單刀單擲開關(guān)的時序圖，其中陰影部分表示開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)。

圖3為用于軌道角動量無線通信模式的四維天線陣所采用的“0—1”形式的單刀單擲開關(guān)的時序圖，其中陰影部分表示開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)。

圖4為用于軌道角動量無線通信模式的四維天線陣所采用的“-1—1”形式的單刀雙擲開關(guān)的時序圖，本專利中的“-1—1”形式代表兩種開關(guān)狀態(tài)的相位相反。其中斜線陰影部分表示開關(guān)接“1”狀態(tài)，柵格陰影部分表示開關(guān)接“-1”狀態(tài)。

圖5為采用圖2-4開關(guān)形式下的四維圓環(huán)天線陣產(chǎn)生OAM模式能量對比圖。

圖6為接收區(qū)域為半徑為4λ時，接收位置相對于四維圓環(huán)天線陣的垂直距離與計算的模式之間的關(guān)系。

圖7為在計算的模式準(zhǔn)確的情況下，接收區(qū)域大小與接收位置相對于四維圓環(huán)天線陣的垂直距離之間的關(guān)系。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面結(jié)合實施方式和附圖，對本發(fā)明作進一步地詳細描述。

實施例

參照圖1，本實施例中采用8個偶極子陣列單元構(gòu)成的四維圓環(huán)天線陣。該陣列天線主要包括天線單元、開關(guān)、功分器和FPGA電路板。在該對稱陣列結(jié)構(gòu)中，天線單元為均勻分布在半徑R＝0.75λ的圓環(huán)上。每個單元受開關(guān)控制，所有的開關(guān)由FPGA電路板控制。

通過設(shè)計三種不同時序給出四維圓環(huán)天線陣同時產(chǎn)生多種OAM模式的最佳時序設(shè)計。圖2，圖3均采用“0—1”開關(guān)依次導(dǎo)通8個單元，陰影部分代表開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)。在一個調(diào)制周期內(nèi)，圖2時序代表每個單元導(dǎo)通0.125個周期，圖3代表每個單元導(dǎo)通0.875個周期。由于圖2時序開關(guān)導(dǎo)通時間短，在一個周期內(nèi)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采用“-1—1”開關(guān)，每個單元依次接“1”狀態(tài)，斜線陰影部分代表開關(guān)接“1”狀態(tài)，網(wǎng)格陰影部分代表開關(guān)接“-1”狀態(tài)，由于單元始終處于導(dǎo)通狀態(tài)，因而相對于圖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余各階模式能量均得到大幅度的提升，在提高饋電網(wǎng)絡(luò)效率的同時提高了能量利用率。

采用圖2，圖3，圖4的三種時序情況下四維圓環(huán)天線陣產(chǎn)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，采用圖4時序?qū)τ谒木S圓環(huán)天線陣產(chǎn)生OAM模式這一發(fā)明具有明顯優(yōu)勢。圖6給出在接收區(qū)域半徑為4λ時，接收位置相對于四維圓環(huán)天線陣的距離與計算模式準(zhǔn)確性之間的關(guān)系。由圖5給出的幅度對比圖可以得到OAM模式弱場區(qū)域隨著模式階數(shù)的增大而增大這一固有性質(zhì)，因而能量也會隨著模式階數(shù)的增大而更加發(fā)散，因而傳輸距離更短。根據(jù)這一特性，本發(fā)明給出了接收區(qū)域大小與準(zhǔn)確接收計算的各階模式位置的關(guān)系，如圖7所示。這一關(guān)系的得到主要利用OAM各階模式的弱場區(qū)域大小。兩者之間的線性關(guān)系有利于確定準(zhǔn)確接收各階模式的位置以及區(qū)域大小。

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