基于涡旋馈源的准贝塞尔波束的能量分布调控方法

本发明属于无线传输，具体涉及一种基于涡旋馈源的准贝塞尔波束的能量分布调控方法。

背景技术：

1、随着电子信息产业的发展，越来越多的电子设备需要用无线传输的技术来为设备进行便利的能量与信息传输。无线能量传输技术包含感应式能量传输、谐振式能量传输和辐射式无线能量传输。辐射式无线能量传输具有工作距离远、易于与通信系统结合的优势。其常用的应用是利用高增益天线来形成一个高增益波束，但是由于电磁波远场的发散特性，接收天线需要较大的口径才能保证较好的传输效率。

2、准贝塞尔波束的工作范围在辐射近场区，可以使得能量在辐射近场区的一个范围内集中，可以在保证传输效率的同时尽可能的缩小接收口径，同时其传输距离相对磁感应式和磁谐振式都会有很大的提升。

3、其中，贝塞尔波束是一种典型的无衍射波束，广泛应用于无线传输领域。高阶准贝塞尔波束不同模态之前相互正交的特性，可以为无线通信提供一种新维度，进一步提高电磁波的频谱效率和信道容量。目前准贝塞尔波束可以通过电磁超表面、透镜等方法产生。

4、华南理工大学在其申请的专利文献“一种产生偏转贝塞尔多波束的宽带透镜及调控方法”(申请号：202210146873.8，申请公布号：cn 114465012a)中公开了一种贝塞尔波束的产生方法。该方法通过喇叭馈源产生球面波照射超表面单元，利用超表面进行相位补偿，实现在超表面单元的一侧形成多个贝塞尔波束。但是，该设计方法仍然存在的不足之处是，由于该方法是通过传统的喇叭馈电产生，其馈源能量分布固定，所以很难对产生的准贝塞尔波束进行能量分布的调控。

5、现有无衍射波束产生方法中，没有实现对准贝塞尔波束的能量分布调控。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于涡旋馈源的准贝塞尔波束的能量分布调控方法，该方法是通过调节涡旋馈源的半径与模态来控制涡旋馈源产生的涡旋波的发散角，从而控制涡旋波的电场强度分布，并利用电磁超表面对产生的涡旋电磁波进行相位补偿，实现准贝塞尔波束的能量分布调控。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、基于涡旋馈源的准贝塞尔波束的能量分布调控方法，包括以下步骤；

4、步骤1：设定电磁超表面产生的准贝塞尔波束的波束参数，所述波束参数包含准贝塞尔波束圆锥角为α，准贝塞尔波束能量分布集中的区域为d1～d2，模态值为lbeam，用于计算电磁超表面的阵列规模和设计涡旋馈源；

5、步骤2：根据设定的准贝塞尔波束圆锥角α和准贝塞尔波束能量分布集中的区域d1～d2，设计涡旋馈源的参数，得到涡旋馈源；

6、步骤3：根据设定的准贝塞尔波束圆锥角α和准贝塞尔波束能量分布集中的区域d1～d2，计算电磁超表面的阵列规模，用于电磁超表面的设计；

7、步骤4：根据设定的准贝塞尔波束的波束参数与设计的涡旋馈源的参数进行相位补偿设计，构建超表面；

8、步骤5：对涡旋馈源进行射频激励，实现涡旋波对电磁超表面的馈电，产生能量分布可控的准贝塞尔波束。

9、所述步骤1，α的取值范围为[0°,20°]；d1和d2为大于0的正整数；lbeam为任意整数。

10、所述步骤2具体为：

11、1)：设定涡旋馈源由n个单元构成，位于笛卡尔坐标系的xoy面中，工作频率为f0，工作波长为λ，设定电磁超表面的单元在x和y方向的间距为定值d∈[0.3λ,0.7λ]，涡旋馈源中心点的坐标为(0,0,zf)，涡旋馈源所产生涡旋波的模态值为lfeed；

12、2)根据设定的准贝塞尔波束能量分布集中区域d1～d2计算涡旋馈源所产生涡旋波束的发散角为；

13、

14、其中，arctan(.)为反tan函数；

15、3)：根据设定的涡旋馈源所产生涡旋波的模态值lfeed和计算出的涡旋馈源产生涡旋波束的发散角θ，计算涡旋馈源的半径，用于涡旋馈源的单元的放置；

16、rfeed＝χlfeed/(ksinθ)

17、其中，χlfeed为第lfeed阶贝塞尔函数的第一个零点，为波数；

18、4)：计算涡旋馈源单元的激励相差，用于涡旋馈源的馈电：

19、

20、5)：根据计算的rfeed，将涡旋馈源的单元以半径为rfeed的圆周均匀分布，得到涡旋馈源。

21、所述1)中lfeed为任意整数，n≥2×lfeed，40d≤zf≤60d；

22、所述步骤3具体为：根据设定的准贝塞尔波束能量分布集中区域d1～d2、准贝塞尔波束的圆锥角为α和电磁超表面的单元在x和y方向的间距d，确定电磁超表面的阵列规模m，即阵列的行列数，用于电磁超表面的设计：

23、

24、所述步骤4具体为：

25、1)：电磁超表面由步骤3计算的m行m列的单元组成，设定电磁超表面的x方向第i个，y方向第j个阵元的坐标为(xi,yj,0)；

26、2)：根据设定的准贝塞尔波束圆锥角α，模态值lbeam，涡旋馈源中心点的坐标(0,0,zf)，涡旋馈源所产生涡旋波的模态值lfeed，计算电磁超表面每个单元的补偿相位，用于调整电磁超表面单元的状态：

27、

28、其中，φ(i,j)表示电磁超表面中第i行第j列单元所需的补偿相位，arg(.)表示取复数的辅角操作，exp(.)表示以自然对数e为底的指数操作；表示位于(xi,yj,0)的电磁超表面单元相对于原点的方位角；

29、3)：设计电磁超表面单元，并绘制电磁超表面单元的透射相位表和透射幅度表；

30、4)；根据电磁超表面每个单元所需的补偿相位，调整电磁超表面每个单元的状态，得到电磁超表面。

31、所述3)中；

32、每个所述电磁超表面单元包括第一金属光栅层、第二金属光栅层、金属贴片、第一介质层、第二介质层；

33、所述第一介质层、第二介质层之间设置金属贴片；

34、远离金属贴片的第一介质层表面设置第一金属光栅层；

35、远离金属贴片的第二介质层表面设置第二金属光栅层；

36、其中，第一介质层、第二介质层为体积相等和形状相同的长方体。

37、所述第一金属光栅层是由三个大小相同且等间距的沿基板x轴方向平行排列的方形金属片；

38、所述第二金属光栅层是由三个大小相同且等间距的沿基板y轴方向平行排列的方形金属片组成；

39、所述金属贴片印刷在第一介质层、第二介质层之间，金属贴片的形状为开口圆环型、i型中的任意一种，金属贴片的开口角用于控制电磁超表面单元的透射相位，该单元的透射相位变化范围接近或超过360°。

40、绘制所述电磁超表面单元的透射相位表的方法如下：保持金属贴片的旋转角不变，当金属贴片的开口角改变时进行仿真，得到与金属贴片的开口角每个取值分别对应的透射相位，将金属贴片的开口角的每一个取值和与其分别对应的透射相位绘制成一个透射相位表。

41、所述4)具体为：

42、所述调整电磁超表面每个单元的状态是，从透射相位表中，查找与电磁超表面每个单元的补偿相位对应的金属贴片的开口角度，依此调整电磁超表面每个单元金属贴片的开口角度。

43、所述步骤5具体为：

44、将涡旋馈源和电磁超表面放置到所设定的位置，即步骤2的1)中设定了涡旋馈源的坐标，给涡旋馈源的每个单元按步骤1中计算的激励相差σ分别馈电，产生能量分布可调控的准贝塞尔波束。

45、本发明的有益效果：

46、第一，本发明使用涡旋馈源代替传统的喇叭馈源，相比传统的喇叭馈源，涡旋馈源产生的波束可以通过调节涡旋馈源的半径和模态值控制涡旋波的发散角，从而控制涡旋馈源产生涡旋波的电场强度分布，使得产生的准贝塞尔波束的能量是可以调控的。

47、第二，本发明通过电磁超表面来为涡旋馈源产生的涡旋波提供相位补偿，将涡旋馈源产生的涡旋波转换为准贝塞尔波束，克服了现有技术采用传统设计方法制造的阵列天线结构复杂，馈电网络复杂的缺点，使得本发明具有结构简单，损耗较小的优点。

技术特征：

1.基于涡旋馈源的准贝塞尔波束的能量分布调控方法，其特征在于，包括以下步骤；

2.根据权利要求1所述的基于涡旋馈源的准贝塞尔波束的能量分布调控方法，其特征在于，所述步骤1，α的取值范围为[0°,20°]d1和d2为大于0的正整数；lbeam为任意整数。

3.根据权利要求1所述的基于涡旋馈源的准贝塞尔波束的能量分布调控方法，其特征在于，所述步骤2具体为：

4.根据权利要求3所述的基于涡旋馈源的准贝塞尔波束的能量分布调控方法，其特征在于，所述步骤3具体为：

5.根据权利要求4所述的基于涡旋馈源的准贝塞尔波束的能量分布调控方法，其特征在于，所述步骤4具体为：

6.根据权利要求5所述的基于涡旋馈源的准贝塞尔波束的能量分布调控方法，其特征在于，所述3)中；

7.根据权利要求6所述的基于涡旋馈源的准贝塞尔波束的能量分布调控方法，其特征在于，所述第一金属光栅层(1)是由三个大小相同且等间距的沿基板x轴方向平行排列的方形金属片；

8.根据权利要求6所述的基于涡旋馈源的准贝塞尔波束的能量分布调控方法，其特征在于，绘制所述电磁超表面单元的透射相位表的方法如下：保持金属贴片(3)的旋转角不变，当金属贴片(3)的开口角改变时进行仿真，得到与金属贴片(3)的开口角每个取值分别对应的透射相位，将金属贴片(3)的开口角的每一个取值和与其分别对应的透射相位绘制成一个透射相位表。

9.根据权利要求6所述的基于涡旋馈源的准贝塞尔波束的能量分布调控方法，其特征在于，所述步骤4)具体为：

10.根据权利要求6所述的基于涡旋馈源的准贝塞尔波束的能量分布调控方法，其特征在于，所述步骤5具体为：

技术总结
基于涡旋馈源的准贝塞尔波束的能量分布调控方法，包括以下步骤；步骤1：设定电磁超表面产生的准贝塞尔波束的波束参数，用于计算电磁超表面的阵列规模和设计涡旋馈源；步骤2：设计涡旋馈源的参数，得到涡旋馈源；步骤3：计算电磁超表面的阵列规模，用于电磁超表面的设计；步骤4：根据设定的准贝塞尔波束的波束参数与涡旋馈源的参数进行相位补偿设计，构建超表面；步骤5：对涡旋馈源进行射频激励，实现涡旋波对电磁超表面的馈电，产生能量分布可控的准贝塞尔波束。本发明控制涡旋馈源产生涡旋波的电场强度分布，并利用电磁超表面对产生的涡旋电磁波进行相位补偿，实现准贝塞尔波束的能量分布调控。

技术研发人员：李龙,何斯彤,薛皓,孟洪州,刘海霞
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5