基于超材料模块实现涡旋波束编码、解码及通信的方法与流程

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于超材料模块实现涡旋波束编码、解码及通信的方法。

背景技术：

涡旋波束是一类特殊的波束，其波阵面呈螺旋状。理论上，涡旋电磁波束是麦克斯韦方程组的一类特殊波束解，其电磁场表达式为：

其中，a(r)为电磁场的振幅，r表示位置矢量，是相位因子，i表示虚数，表示方位角，m称为涡旋束的拓扑荷。不同拓扑荷的涡旋波束之间满足正交关系，因此涡旋波束被越来越多的用于无线通信领域，通过涡旋波束模式编码能够大大提高通信容量。涡旋波束的生成是涡旋波束复用通信应用中的关键环节，涡旋波束的生成依赖于对辐射口面电磁场的幅度相位分布调控，现有涡旋波束生成主要通过螺旋相位片、微带线阵列等方式来实现。螺旋相位片通过介质表面的螺旋形设计来控制出射电磁波角向相位分布，实现某一特定阶数涡旋波束的发射，其发射模数单一，无法满足多模式涡旋波束的生成；微带线阵列的移相通过延迟电路来实现，利用延迟移相网络实现信号的功分和移相，从而控制微带线天线阵列辐射阵元上的幅度和相位分布，其电路负载，器件尺寸大，调控精度低。

目前仅有从涡旋波束模式作为载波进行通信的设计思路，利用同一频段内多个涡旋波束模式的复用来提高通信频谱利用率。这种方法主要有以下缺点：

1.涡旋波束场分布具有发散的特性，不同模式具有不同的发散角，因此接收时需要用不同半径的天线阵列，在同一时段接收并识别到每一个模式的信息，这在实际操作中可行性比较低；

2.多个模式涡旋波束的发射器件采用传统技术实现，器件尺寸比较大，调控精度低，而且只能实现单一模式的调控，如果要实现多个模式同时发射需要加入繁杂的设计。

技术实现要素：

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种基于超材料模块实现涡旋波束编码、解码及通信的方法，用以解决现有调控模式单一或多模式设计繁杂的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

基于超材料模块实现涡旋波束编码的方法，采用涡旋波束对数字信息进行编码来实现通信，包括以下步骤：

步骤s1、在通信协议中确立一组固定的涡旋波束模式基{φ1,φ2,φ3...φn}，其中表示第n阶涡旋波束的场分布函数；n＝1,2,3，……，n；代表极坐标中的方位角；

步骤s2、在每个时钟周期t内，信号源输出n位数字信号序列sc；

步骤s3、基于上述数字信号序列sc，对超材料模块实施动态电压调控使射频源发出的射频信号si照射到超材料模块上后将反射波转换为多个涡旋波束模式的叠加态并发射出去，实现涡旋波束对数字信号的编码。

进一步，所述所述步骤s3包括：

步骤s301、根据输入的数字信号序列sc得到每一超材料模块单元的铁电衬底两端所需施加的直流电压vi；

步骤s302、输出直流电压vi到相应超材料模块单元的馈电层，对超材料模块实施动态电压调控使射频源发出的射频信号si照射到超材料模块上后将反射波转换为多个涡旋波束模式的叠加态并发射出去，实现涡旋波束对数字信号的编码。

进一步，所述步骤s301包括如下子步骤：

步骤s3011、根据输入的数字信号序列sc，得到超材料模块表面反射相位分布an表示相应模式涡旋波束的归一化强度系数，各模式的强度系数与数字信号序列sc一一对应；

步骤s3012、根据超材料模块表面反射相位分布得到每一个相应位置处超材料模块单元表面对应的反射相位

步骤s3013、根据每一模块单元表面对应的反射相位计算得到相应超材料模块单元中铁电材料衬底的介电常数∈fe；

步骤s3014、根据每一超材料模块单元中铁电材料衬底的介电常数∈fe，利用铁电材料介电常数∈fe与外加电压v之间的关系∈fe(v)，得到所需施加到每个超材料模块单元中铁电材料衬底两端的直流电压vi。

进一步，所述超材料模块单元包括金属谐振单元、馈电单元、铁电材料衬底、接地层、介质层和馈电层；金属谐振单元和馈电单元设置于铁电材料衬底上，铁电材料衬底下方设置接地层，接地层与馈电层间设置有介质层；所述金属谐振单元包括金属片和金属化过孔，金属片通过金属化过孔与接地层相连；馈电单元通过馈电引脚与馈电层相连；馈电层通过馈电引脚将电压施加到馈电单元上，使得馈电单元与接地层之间形成一定的直流电压，该直流电压用来调节铁电材料衬底的介电常数以改变每个超材料模块单元表面的反射相位，进而构造出整个超材料模块表面的相位分布。

进一步，所述馈电单元为馈电线、馈电环或馈电片。

进一步，所述金属片为方形结构，其边长与铁电材料衬底的厚度相等。

进一步，所述步骤s301中采用fpga与电源模块相连，fpga控制电源模块输出直流电压vi到相应超材料模块单元的馈电层。

本发明还提供了一种基于上述编码方法所实现的涡旋波束解码的方法，涡旋波束传输到超材料模块表面，根据通信协议中每阶涡旋波束的场分布函数得到每阶涡旋波束的电压分布；根据所述电压分布，在fpga的控制下输出相应大小的电压给相应位置的超材料模块单元的馈电层，使得超材料模块单元表面反射相位分布对应每阶涡旋波束的相位分布，实现n阶涡旋波束到平面波的转换；当实现第n阶涡旋波束到平面波的转换时，在输出端设置判决电平，使得输出电平高于判决电平则判断为‘1’，否则判断为‘0’；在一个时钟周期t内，实现对所有模式的依次判决，按照n＝1，2，3…n的顺序输出一串高-低电平信号，即为信号源输出的n位数字信号序列sc。

进一步，该解码方法中所采用的超材料模块与编码方法中所采用的超材料模块结构相同。

在上述编码方法和解码方法的基础上，本发明还提供了一种在发射端采用上述编码方法和在接收端采用上述解码方法实现涡旋波束通信的方法。

本发明有益效果如下：

1.利用涡旋波束编码实现大容量通信，与传统涡旋波束载波复用技术相比，信息的接收环节难度低，不需要在同一时段获得每一个模式的信息，而只需要识别出每一种涡旋波束模式在不同时段的强弱变化即可提取出所需的信息。

2.本发明能够利用较小的器件尺寸实现极高精度的模式调控，另外还能实现多个涡旋波束模式的动态调控。

3、该发明中所使用的n种涡旋波束之间的正交性在同一个极窄频带内即可实现，因此进行通信时所占用的频率资源非常有限，相应的频谱利用效率也就变得很高，原理上频谱利用效率与n成正比。当需要传输宽带信号，即每个时钟周期内传输的二进制数n比较大时，传统通信方式必然会导致模拟信号频带的等比例展宽，而利用本发明所提出的方法，只需要使用更多个正交的涡旋波束模式进行编码，而所占用的频带无需任何展宽，因此保证了频谱利用效率的等比例提升。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例涡旋波束编码、解码、通信方法示意图。

图2为本发明实施例超材料模块结构示意图。

图3为本发明实施例超材料模块单元结构示意图。

图4为本发明输出电平判决示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

实施1：如图1所示，基于超材料模块实现涡旋波束编码的方法，采用涡旋波束对数字信息进行编码来实现通信，包括以下步骤：

步骤s1、在通信协议中确立一组固定的涡旋波束模式基{φ1,φ2,φ3...φn}，其中表示第n阶涡旋波束的场分布函数；n＝1,2,3，……，n；代表极坐标中的方位角；

步骤s2、在每个时钟周期t内，信号源输出n位数字信号序列sc＝{010...0}；

步骤s3、基于上述数字信号序列sc＝{010...0}，对超材料模块实施动态电压调控使射频源发出的射频信号si照射到超材料模块上后将反射波转换为多个涡旋波束模式的叠加态并发射出去，实现涡旋波束对数字信号的编码。

具体包括如下步骤：

步骤s301、根据输入的数字信号序列sc＝{010...0}得到每一超材料模块单元的铁电衬底两端所需施加的直流电压vi；

具体包括如下子步骤：

步骤s3011、根据输入的数字信号序列sc＝{010...0}，得到超材料模块表面反射相位分布函数亦即所输出的电磁波模式，其中表示第n阶涡旋波束的场分布函数,代表极坐标中的方位角，n＝1,2,3，……，n；an表示相应模式涡旋波束的归一化强度系数，各模式的强度系数与数字信号序列sc一一对应，即{a1，a2，a3...an}＝{010...0}；

步骤s3012、根据超材料模块表面反射相位分布得到每一个相应位置处超材料模块单元表面对应的反射相位超材料模块由多个超材料模块单元排列组成；

本实施例中超材料模块由10×10超材料模块单元构成，如图2所示，根据整体反射相位分布得到每一模块单元表面对应的反射相位。

步骤s3013、根据每一模块单元表面对应的反射相位计算得到相应超材料模块单元中铁电材料衬底的介电常数∈fe；反射相位与介电常数的关系采用现有多种手段均可得到。

步骤s3014、根据铁电材料衬底的介电常数∈fe，利用铁电材料介电常数∈fe与外加电压v之间的关系∈fe(v)，得到所需施加到每个超材料模块单元中铁电材料衬底两端的直流电压vi；铁电材料介电常数∈fe与外加电压v之间的关系可由试验预先获得。

如图3所示，所述超材料模块单元包括金属谐振单元1、馈电单元2、铁电材料衬底3、接地层4、介质层5和馈电层7；金属谐振单元1和馈电单元2设置于铁电材料衬底3上，铁电材料衬底3下方设置接地层4，接地层4与馈电层7间设置有介质层5，介质层5用于实现馈电层与接地层间的支撑；所述金属谐振单元包括金属片和金属化过孔，金属片通过金属化过孔与接地层相连；馈电单元通过馈电引脚6与馈电层相连；馈电层通过馈电引脚将电压施加到馈电单元上，使得馈电单元与接地层之间形成一定的直流电压，该直流电压用来调节铁电材料衬底的介电常数以改变每个超材料模块单元表面的反射相位，进而构造出整个超材料模块表面的相位分布。馈电单元可选择线型、环形、片状等结构，本实施例中选用方状环形结构。超材料模块单元的结构设置能够改变反射波的相位δφ，且δφ的范围是-180°～180°，具体数值取决于铁电材料衬底的介电常数∈fe，因此通过对铁电材料衬底施加直流电压改变其介电常数就能够改变每个超材料模块单元表面的反射相位，进而构造出整个超材料模块表面的相位分布。

本实施例中金属片形状为方形，其边长与铁电材料衬底的厚度相等。

步骤s302、由fpga控制电压模块输出直流电压vi到相应超材料模块单元的馈电层，实现对所有超材料模块单元的馈电，将输入射频信号si转换为n个涡旋波束叠加态并发射出去；实现涡旋波束对数字信号的编码。

具体地，射频信号si由射频源发射到超材料模块表面，通过对超材料模块的馈电将射频信号si转换为n个涡旋波束叠加态射频源是喇叭天线或者微带天线等传统的射频辐射器件，射频信号si可以是普通的高斯波束。

具体地，fpga为多个引脚，采用每一引脚控制一个超材料模块单元电压的控制方式。

该方法通过电压调控的方式将射频信号转换为涡旋波束信号，采用涡旋波束传输数字信息，为大容量数据传输提供了基础，该方法所涉及的装置结构简单，无需复杂部件即可实现，解决了现有技术中需要大量离散元器件实现涡旋波束模式调控存在的装置复杂、精度不足的问题。所使用的n种涡旋波束之间的正交性在同一个极窄频带内即可实现，因此上述采用编码进行通信时所占用的频率资源非常有限，相应的频谱利用效率也就变得很高，原理上频谱利用效率与n成正比。当需要传输宽带信号，即每个时钟周期内传输的二进制数n比较大时，传统通信方式必然会导致模拟信号频带的等比例展宽，而利用本发明所提出的方法，只需要使用更多个正交的涡旋波束模式进行编码，而所占用的频带无需任何展宽，因此保证了频谱利用效率的等比例提升。

本发明也对涡旋波束解码识别各个模式信息的方式作了改进。解码方法与实施例1编码方法具有相同的通信协议，即确立的一组涡旋波束模式基{φ1,φ2,φ3...φn}与编码方法的相同。

实施例2：如图1所示，发射端发送涡旋波束接收端需将其解码识别各个模式信息。该方法为基于超材料模块实现涡旋波束解码的方法，所采用的超材料模块与实施例1中结构一致。涡旋波束传输到超材料模块表面，根据通信协议中每阶涡旋波束的场分布函数得到每阶涡旋波束的电压分布；根据所述电压分布，电源模块在fpga的控制下输出相应大小的电压给相应位置的超材料模块单元的馈电层，使得超材料模块单元表面反射相位分布对应每阶涡旋波束的相位分布，实现n阶涡旋波束到平面波的转换。如图4所示，当实现第n阶涡旋波束到平面波的转换时，就只有信号中第n阶涡旋波束成分才能被匹配辐射，体现为输出电平较大，其余模式的成分均由于不匹配而造成辐射效率大大降低，体现为输出电平较小。因此在输出端针对不同的涡旋模式设置适当的判决电平，使得输出电平高于判决电平则判断为‘1’，否则判断为‘0’，就可以实现对第n阶涡旋波束的过滤。依此类推，在一个时钟周期t内，实现对所有n个模式的依次鉴别，按照n＝1，2，3…n的顺序输出一串高-低电平信号。该电平信号序列与发射端的输入信号sc完全相同，因此就实现了涡旋波束解码。

接收端超材料模块通过相位分布形式的动态扫描，将来波信号中的不同模式涡旋波束经过反射，按照扫描时间顺序依次转换为平面波，并分别进行幅度判决，得到一系列二进制比特数据流。

实施例3：

在发射端采用实施例1的涡旋波束编码方法，在接收端采用实施例2的涡旋波束解码方法，实现采用涡旋波束进行通信的全过程。

按照上述过程进行循环即可实现利用涡旋波束进行编码通信的过程。

由于上述通信方法中所使用的n种涡旋波束之间的正交性在同一个极窄频带内即可实现，因此上述通信过程所占用的频率资源非常有限，相应的频谱利用效率也就变得很高，原理上频谱利用效率与n成正比。当需要传输宽带信号，即每个时钟周期内传输的二进制数n比较大时，传统通信方式必然会导致模拟信号频带的等比例展宽，而利用本发明所提出的方法，只需要使用更多个正交的涡旋波束模式进行编码，而所占用的频带无需任何展宽，因此保证了频谱利用效率的等比例提升。

综上所述，本发明实施例提供了一种利用涡旋波束编码、解码及通信的方法，该方法能实现大容量通信，与传统涡旋波束载波复用技术相比，信息的发送、接收环节难度低，不需要在同一时段获得每一个模式的信息，而只需要识别出每一种涡旋波束模式在不同时段的强弱变化即可提取出所需的信息。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。