CN115117625B - 一种在锁相源随机初相条件下产生可相控oam电磁波的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在锁相源随机初相条件下产生可相控OAM电磁波的方法；该方法基于均匀圆形天线阵技术，其馈电网络包括一路中频信号源、一路本振信号源、以及多路加权信号源。根据目标发射频率和拓扑荷数，计算中频源和本振源的输出角频率；再根据目标波束指向，计算加权信号源的输出角频率，以此来产生所需频率、拓扑荷数、与波束指向的涡旋电磁波。本发明所采用的馈电网络仅用延迟线作为移相单元，通过馈电网络中的多重混频结构抵消掉各路信号源的初相干扰，使得***的波束转向精度以及其所产生的OAM波的纯度得到保证。

Description

一种在锁相源随机初相条件下产生可相控OAM电磁波的方法

技术领域

本发明涉及OAM电磁波技术领域，具体涉及一种在锁相源随机初相条件下产生可相控OAM电磁波的方法。

背景技术

研究表明，电磁波不仅具有自旋角动量，还具有轨道角动量。后来的一些研究明确指出，携带轨道角动量的电磁波称为OAM电磁波，具有螺旋相结构，其波前在空间中沿束轴旋转。不同OAM模式的OAM电磁波具有不同的相位结构，整数模式相互正交，这意味着轨道角动量可以为电磁场提供旋转自由度，有利于新型复用应用。轨道角动量已在光学研究中被发现，OAM电磁波已被用于雷达成像、量子态操纵等领域。与OAM电磁波在光学领域所发挥的巨大作用相比，他们在无线通信领域的研究仍需继续。

最先进的OAM生成架构主要可分为四种类型，即传输螺旋结构、传输光栅结构、螺旋反射器结构和阵列天线。早在提出OAM电磁波时，支持者就描述了如何馈送均匀的圆形阵列以在无线电频带中产生轨道角动量。均匀圆形相控阵具有加工简单、操作方便等优点，是一种很好的OAM电磁波发生器。

基于均匀圆形阵列天线产生OAM电磁波的***通常需要配合高精度、移相范围为0-360°的移相器。由于移相器价格昂贵，本文提出一种修改方案，以改变***结构以节省成本。在一些方案中，使用延迟线代替移相器来产生具有不同拓扑电荷的OAM电磁波，从而简化了***。但是，如果要在不改变延迟线长度的情况下进一步实现OAM的波束指向控制，仍然需要移相器来完成相控阵的结构。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种在锁相源随机初相条件下产生可相控OAM电磁波的方法，包括以下步骤：

构建包含一路中频信号源、一路本振信号源、以及多路加权信号源的OAM电磁波混频馈电网络；

所述馈电网络包括一路本振信号源、一M路本振信号分流器、一路中频信号源、一M路中频信号分流器、M路加权信号源、M个两路加权信号分流器、M个本振信号外差混频器、M个本振信号滤波器、M个中频信号外差混频器、M个中频信号滤波器、M根延时线、M个射频信号外差混频器和M个射频信号滤波器；

其中一路中频信号源经过M路中频信号分流器发出M路中频信号，分别与M路加权信号源中对应加权信号源经过两路加权信号分流器分流的其中一路加权信号通过对应的中频信号外差混频器进行混频，混频后的中频信号通过对应的中频信号滤波器进行滤波；

一路本振信号源经过M路本振信号分流器发出M路本振信号，分别与M路加权信号源中对应加权信号源经过两路加权信号分流器分流的其中另一路加权信号通过对应的本振信号外差混频器进行混频，混频后的本振信号通过对应的本振信号滤波器进行滤波后通过固定长度的延时线进行相位调控；

各路滤波后的中频信号与各路相位调控后的本振信号通过对应的射频信号外差混频器进行混频，混频后的射频信号分别通过对应的射频信号滤波器进行滤波后，送入均匀圆形天线阵中的各个天线单元；

根据目标OAM拓扑荷数和波束指向角度，计算中频信号源和本振信号源的输出角频率；再根据目标发射频率，计算加权信号源的输出角频率；

将OAM电磁波混频馈电网络接入均匀圆形天线阵，并根据计算的输出角频率调整各本振信号源、中频信号源和加权信号源的输出频率，产生目标发射频率、拓扑荷数与波束指向的OAM电磁波。

可选地，所述根据目标OAM拓扑荷数和波束指向角度，计算馈电网络中中频信号源和本振信号源的输出角频率；再根据目标发射频率，计算加权信号源的输出角频率，具体包括：

根据目标OAM拓扑荷数和波束指向角度，确定均匀圆形天线阵各天线单元需要的相位激励矢量；

根据均匀圆形天线阵各天线单元需要的相位激励矢量，确定均匀圆形天线阵各天线单元需要的相位偏移；

根据固定长度的延时线产生的相移和均匀圆形天线阵各天线单元需要的相位偏移，确定中频信号源和本振信号源的输出角频率，两者混频后滤波得到施加在均匀圆形天线阵各天线单元对应的延迟线上的输入信号角频率；

根据目标发射频率，确定中频源输出角频率。

可选地，所述均匀圆形天线阵各天线单元需要的相位激励矢量具体为：

其中，S为天线单元需要的相位偏移，l为所需要产生的OAM拓扑荷数，为拓扑荷数为1时相邻天线单元相位差，k为射频信号的波数，a为均匀圆形阵列的阵列半径，θ为波束俯仰角，γ为波束方位角，m为均匀圆形阵列的天线单元序号，M为均匀圆形阵列的天线单元数量。

可选地，所述均匀圆形天线阵各天线单元需要的相位偏移具体为：

其中，为第m个天线单元需要的相位偏移，l为OAM拓扑荷数，M为均匀圆形阵列的天线单元数量，k为射频信号的波数，a为均匀圆形阵列的阵列半径，θ为波束俯仰角，γ为波束方位角。

可选地，所述固定长度的延时线产生的相移具体为：

其中，为延时线产生的相移，ω为通过延迟线的信号角频率，l'为延时线的长度，ε为延时线的介电常数，μ为延时线的磁导率。

可选地，所述施加在均匀圆形天线阵各天线单元对应的延迟线上的输入信号角频率具体为：

其中，ω_m为施加在均匀圆形天线阵各天线单元对应的延迟线上的输入信号角频率，ω′为设定的信号角频率，l为所需要产生的OAM拓扑荷数，ω′l为本振源信号频率，为加权信号源的信号频率。

可选地，所述中频信号源的输出角频率的确定方式为：

ω_IF＝ω_RF-ω′l

其中，ω_IF为中频信号源的输出角频率，ω_RF为目标发射频率，ω′l为本振源信号频率。

本发明具有以下有益效果：

(1)在保证高相控精度和范围之下，仅仅使用延时线作为移相单元，为***节省了价格昂贵的移相器。

(2)通过调节频率进而控制移相参数，其精度取决于***所使用的锁相环的调谐精度，一般情况下远高于移相器。因此相比基于移相器的均匀圆形阵列，此***理论上能在波束转向角度调整中达到更高的精度。同时，精度更高的***也能产生模态纯度更高的OAM电磁波。

(3)***省去了复杂电路器件，仅用简单元器件组成，便于更换和调整。初相随机结构使得***在一定程度上不会受到相位噪声的影响，同时，可以通过对频率矩阵进行修正而弥补初相随机结构所无法处理的相位干扰，提高了***的鲁棒性。

附图说明

图1为本发明实施例中一种在锁相源随机初相条件下产生可相控OAM电磁波的方法流程示意图；

图2为本发明实施例中构建的无移相器产生可相控OAM电磁波的***结构示意图；

图3为本发明实施例中拓扑荷属l＝1，偏转角ν＝(20°,20°)时的波束指向分析图和幅度图；

图4为本发明实施例中拓扑荷属l＝2，偏转角ν＝(45°,45°)时的波束指向分析图和幅度图；

图5为本发明实施例中拓扑荷属l＝1，偏转角ν＝(15°,15°)时的立体相位图；

图6为本发明实施例中拓扑荷属l＝1，偏转角ν＝(15°,15°)时的正视相位图；

图7为本发明实施例中拓扑荷属l＝2，偏转角ν＝(30°,30°)时的立体相位图；

图8为本发明实施例中拓扑荷属l＝2，偏转角ν＝(30°,30°)时的正视相位图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，本发明实施例提供了一种在锁相源随机初相条件下产生可相控OAM电磁波的方法，包括以下步骤S1至S3：

S1、构建包含一路中频信号源、一路本振信号源、以及多路加权信号源的OAM电磁波混频馈电网络；

所述馈电网络包括一路本振信号源、一M路本振信号分流器、一路中频信号源、一M路中频信号分流器、M路加权信号源、M个两路加权信号分流器、M个本振信号外差混频器、M个本振信号滤波器、M个中频信号外差混频器、M个中频信号滤波器、M根延时线、M个射频信号外差混频器和M个射频信号滤波器；

其中一路中频信号源经过M路中频信号分流器发出M路中频信号，分别与M路加权信号源中对应加权信号源经过两路加权信号分流器分流的其中一路加权信号通过对应的中频信号外差混频器进行混频，混频后的中频信号通过对应的中频信号滤波器进行滤波；

一路本振信号源经过M路本振信号分流器发出M路本振信号，分别与M路加权信号源中对应加权信号源经过两路加权信号分流器分流的其中另一路加权信号通过对应的本振信号外差混频器进行混频，混频后的本振信号通过对应的本振信号滤波器进行滤波后通过固定长度的延时线进行相位调控；

各路滤波后的中频信号与各路相位调控后的本振信号通过对应的射频信号外差混频器进行混频，混频后的射频信号分别通过对应的射频信号滤波器进行滤波后，送入均匀圆形天线阵中的各个天线单元；

S2、根据目标OAM拓扑荷数和波束指向角度，计算中频信号源和本振信号源的输出角频率；再根据目标发射频率，计算加权信号源的输出角频率；

S3、将OAM电磁波混频馈电网络接入均匀圆形天线阵，并根据计算的输出角频率调整各本振信号源、中频信号源和加权信号源的输出频率，产生目标发射频率、拓扑荷数与波束指向的OAM电磁波。

本发明采用延迟线作为相移元件来实现具有波束控制的OAM电磁波生成***。该***基于均匀圆形阵列和相控阵技术，产生了对应于每个目标情况的输入频率矩阵。

根据产生OAM电磁波的相控阵原理，若各个天线单元的通道中存在多个不同的信号源，则***能够成功达到预期效果的前提是这些信号源的初相保持一致，若各路信号源存在初相差，则此差异会一直保留到最终输入天线阵列的各路信号，最终破坏OAM电磁波产生***的相控结构。但由于恒温晶振外加M路锁相环的***无法保证在进行小数调频之后仍保留初相一致，且不同于瞬时相位，初相并无实际意义和准确有效的测量方法，在现实中难以实现。因此本发明考虑到实际锁相源的随机初始相位问题，本发明对方案进行了进一步改进，通过巧妙设置电路结构，采用不断混频再滤波的方式，抵消掉初相的干扰，滤除初始相位不一致对相位控制***的影响。本发明提出的方案可以完全摆脱移相器，实现发射频率/拓扑电荷数/光束转向角的自由调节。调节精度取决于锁相源的调谐精度，远高于移相器。

在本发明的一个可选实施例中，本发明根据目标OAM拓扑荷数和波束指向角度，计算馈电网络中中频信号源和本振信号源的输出角频率；再根据目标发射频率，计算加权信号源的输出角频率具体包括：

根据目标OAM拓扑荷数和波束指向角度，确定均匀圆形天线阵各天线单元需要的相位激励矢量；

根据均匀圆形天线阵各天线单元需要的相位激励矢量，确定均匀圆形天线阵各天线单元需要的相位偏移；

根据固定长度的延时线产生的相移和均匀圆形天线阵各天线单元需要的相位偏移，确定中频信号源和本振信号源的输出角频率，两者混频后滤波得到施加在均匀圆形天线阵各天线单元对应的延迟线上的输入信号角频率；

根据目标发射频率，确定中频源输出角频率。

具体而言，当利用本发明构建无移相器产生可相控OAM电磁波的***产生拓扑荷属为l，且波束指向角度为(θ,γ)的OAM电磁波时，确定均匀圆形阵列各天线单元需要的相位激励矢量具体为：

其中，S为天线单元需要的相位偏移，l为所需要产生的OAM拓扑荷数，为，k为射频信号的波数，a为均匀圆形阵列的阵列半径，θ为波束俯仰角，γ为波束方位角，m为均匀圆形阵列的天线单元序号，M为均匀圆形阵列的天线单元数量。

因此可以根据均匀圆形阵列各天线单元需要的相位激励矢量，确定均匀圆形阵列各天线单元需要的相位偏移具体为：

其中，为第m个天线单元需要的相位偏移，l为OAM拓扑荷数，M为均匀圆形阵列的天线单元数量，k为射频信号的波数，a为均匀圆形阵列的阵列半径，θ为波束俯仰角，γ为波束方位角。

为了确定固定长度的延时线产生的相移，首先根据延迟线的相移常数：

其中，ε为延迟线的介电常数，μ为延迟线的磁导率。

令延迟线长度为l'，对应产生的相移为：

为了获得OAM电磁波，第m个天线单元需要的相位偏移为：

再令第m个天线单元对应的延迟线长度为：

其中ω_m为第m个天线单元对应延迟线的输入信号角频率，即本振信号与加权信号经过外差混频和滤波后的输出信号角频率。

设l＝1,Ω_M＝(ω₁,ω₂,...,ω_M)^T＝(ω′,ω′,...,ω′)^T，代入上式可以得到

其中，ω′为拓扑荷属为1，不加波束指向调控时，M个锁相环应调控出的信号角频率。

从而可以根据固定长度的延时线产生的相移与均匀圆形阵列各天线单元需要的相位偏移的关系，确定每个天线单元对应延迟线的长度。

进而可以根据每个天线单元对应延迟线的长度，确定第m个天线单元对应延迟线的输入信号角频率为：

假设OAM电磁波的目标波束指向角为(θ₁,γ₁)，令(θ₁,γ₁)＝ν₁，可以根据上式得到角频率表达式为：

上式即为当目标波形的OAM模态为l，波束指向角为(θ₁,γ₁)＝ν₁时，每根延时线对应的输入频率，若假设本振信号源输出频率为ω′l，则加权信号源应为两者混频后滤波即得到施加在均匀圆形阵列各天线单元对应的延迟线上的输入信号，其角频率为ω_m。

若目标发射频率为ω_RF，确定一路中频源输出角频率为ω_IF＝ω_RF-ω′l。

下面对将OAM电磁波混频馈电网络接入均匀圆形天线阵，并根据计算的输出角频率调整各本振信号源、中频信号源和加权信号源的输出频率，产生目标发射频率、拓扑荷数与波束指向的OAM电磁波的过程进行分析。

设中频信号为：

设本振信号为：

设m路加权信号为：

其中，均为0-360°的随机相位，ω_C(m)即为/>其中v₀＝(θ₀,γ₀)，为预设的波束指向角度。

与m路加权信号进行混频并滤波之后，中频信号和本振信号分别变为：

根据天线单元对应的延迟线施加所计算的输入信号角频率，若令ω_LO＝lω′，则ω_LO+ω_C(m)即为想要的延时线输入角频率，则各路本振信号再通过延时线并得到：

之后，即为所需的相位关系。将M路本振信号再与中频进行混频并滤波，得到最终信号为：

其中和/>与阵元序号m无关，除/>之外，输入各路天线单元的信号并无其它的相位差关系，OAM电磁波和波束指向控制的结构仍保持完好。

下面结合具体实例对本发明的方案进行仿真分析。

选择射频频率为X波段(10GHz)，阵列半径为λ/2，当不加波束偏转，且OAM模态为1时，令本振信号源频率f＝500MHz，以ω′＝2πf确认每根延时线的长度。在此基础上进，对***进行测试。

在本发明的仿真中，波束指向角度统一规定为零深区域幅度最低值的方向。令ν＝(20°,20°)，且拓扑荷属l＝1时，绘出波束指向分析图和幅度图如附图3所示，在方位角截面，幅度值在俯仰角变量取值为20度时达到低谷，即代表波束俯仰角偏转了20度，同时，图片右下角给出了完整的幅度图，可以看出原本指向为(0°,0°)的零深区域指向了(20°,20°)。附图4展示了拓扑荷属l＝2，ν＝(45°,45°)时的情况。

对角度实现偏转后，***产生OAM电磁波的相位图如附图5-8所示，附图5和附图6展示了l＝1，ν＝(15°,15°)的情况，附图7和附图8展示了l＝2，ν＝(30°,30°)的情况，附图5和附图7为立体图，附图5和附图8为正视图。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种在锁相源随机初相条件下产生可相控OAM电磁波的方法，其特征在于，包括以下步骤：

构建包含一路中频信号源、一路本振信号源、以及多路加权信号源的OAM电磁波混频馈电网络；

所述馈电网络包括一路本振信号源、一M路本振信号分流器、一路中频信号源、一M路中频信号分流器、M路加权信号源、M个两路加权信号分流器、M个本振信号外差混频器、M个本振信号滤波器、M个中频信号外差混频器、M个中频信号滤波器、M根延时线、M个射频信号外差混频器和M个射频信号滤波器；

其中一路中频信号源经过M路中频信号分流器发出M路中频信号，分别与M路加权信号源中对应加权信号源经过两路加权信号分流器分流的其中一路加权信号通过对应的中频信号外差混频器进行混频，混频后的中频信号通过对应的中频信号滤波器进行滤波；

一路本振信号源经过M路本振信号分流器发出M路本振信号，分别与M路加权信号源中对应加权信号源经过两路加权信号分流器分流的其中另一路加权信号通过对应的本振信号外差混频器进行混频，混频后的本振信号通过对应的本振信号滤波器进行滤波后通过固定长度的延时线进行相位调控；

各路滤波后的中频信号与各路相位调控后的本振信号通过对应的射频信号外差混频器进行混频，混频后的射频信号分别通过对应的射频信号滤波器进行滤波后，送入均匀圆形天线阵中的各个天线单元；

根据目标OAM拓扑荷数和波束指向角度，计算中频信号源和本振信号源的输出角频率；再根据目标发射频率，计算加权信号源的输出角频率；

将OAM电磁波混频馈电网络接入均匀圆形天线阵，并根据计算的输出角频率调整各本振信号源、中频信号源和加权信号源的输出频率，产生目标发射频率、拓扑荷数与波束指向的OAM电磁波。

2.根据权利要求1所述的一种在锁相源随机初相条件下产生可相控OAM电磁波的方法，其特征在于，所述根据目标OAM拓扑荷数和波束指向角度，计算中频信号源和本振信号源的输出角频率；再根据目标发射频率，计算加权信号源的输出角频率，具体包括：

根据目标OAM拓扑荷数和波束指向角度，确定均匀圆形天线阵各天线单元需要的相位激励矢量；

根据均匀圆形天线阵各天线单元需要的相位激励矢量，确定均匀圆形天线阵各天线单元需要的相位偏移；

根据固定长度的延时线产生的相移和均匀圆形天线阵各天线单元需要的相位偏移，确定中频信号源和本振信号源的输出角频率，两者混频后滤波得到施加在均匀圆形天线阵各天线单元对应的延迟线上的输入信号角频率；

根据目标发射频率，确定中频信号源的输出角频率。

3.根据权利要求2所述的一种在锁相源随机初相条件下产生可相控OAM电磁波的方法，其特征在于，所述均匀圆形天线阵各天线单元需要的相位激励矢量具体为：

其中，S为天线单元需要的相位偏移，l为所需要产生的OAM拓扑荷数，为拓扑荷数为1时相邻天线单元相位差，k为射频信号的波数，a为均匀圆形阵列的阵列半径，θ为波束俯仰角，γ为波束方位角，m为均匀圆形阵列的天线单元序号，M为均匀圆形阵列的天线单元数量。

4.根据权利要求2所述的一种在锁相源随机初相条件下产生可相控OAM电磁波的方法，其特征在于，所述均匀圆形天线阵各天线单元需要的相位偏移具体为：

其中，为第m个天线单元需要的相位偏移，l为OAM拓扑荷数，M为均匀圆形阵列的天线单元数量，k为射频信号的波数，a为均匀圆形阵列的阵列半径，θ为波束俯仰角，γ为波束方位角。

5.根据权利要求2所述的一种在锁相源随机初相条件下产生可相控OAM电磁波的方法，其特征在于，所述固定长度的延时线产生的相移具体为：

其中，为延时线产生的相移，ω为通过延迟线的信号角频率，l'为延时线的长度，ε为延时线的介电常数，μ为延时线的磁导率。

6.根据权利要求2所述的一种在锁相源随机初相条件下产生可相控OAM电磁波的方法，其特征在于，所述施加在均匀圆形天线阵各天线单元对应的延迟线上的输入信号角频率具体为：

ω_m＝ω′l+ψ_ν1(m)

其中，ω_m为施加在均匀圆形天线阵各天线单元对应的延迟线上的输入信号角频率，ω′为设定的信号角频率，l为所需要产生的OAM拓扑荷数，ω′l为本振源信号频率，ψ_ν1(m)为加权信号源的信号频率。

7.根据权利要求2所述的一种在锁相源随机初相条件下产生可相控OAM电磁波的方法，其特征在于，所述中频信号源的输出角频率的确定方式为：

ω_IF＝ω_RF-ω′l

其中，ω_IF为中频信号源的输出角频率，ω_RF为目标发射频率，ω′l为本振源信号频率。