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基于编码相位梯度超表面产生多波束多模态太赫兹涡旋波

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光学学报 2024年

作者：孙文俊汪静丽尹亮万洪丹陈鹤鸣钟凯南京邮电大学电子与光学工程学院天津大学精密仪器与光电子工程学院教育部光电信息技术重点实验室南京邮电大学贝尔英才学院

本文设计了一种2-bit编码相位梯度超表面，用于实现多波束多模态太赫兹涡旋波。根据Pancharatnam-Berry(PB)几何相位原理在超表面单元中引入相位梯度，设计出编码元素“00”，“01”，“10”，“11”。将上述编码元素按照不同的编码序... 详细信息

本文设计了一种2-bit编码相位梯度超表面，用于实现多波束多模态太赫兹涡旋波。根据Pancharatnam-Berry(PB)几何相位原理在超表面单元中引入相位梯度，设计出编码元素“00”，“01”，“10”，“11”。将上述编码元素按照不同的编码序列排布，分别获得模态为l=-1、l=-2涡旋波的编码相位梯度超表面以及两分束的编码相位梯度超表面。利用傅里叶卷积定理，将产生涡旋波的编码序列与两分束的编码序列进行卷积，产生了l=-1或l=-2同一模态的两分束涡旋波。利用相位叠加原理，将产生不同模态的两分束涡旋波的相位结合，构成具有新相位分布的编码相位梯度超表面。仿真结果表明：线极化波(LP)激励下，所设计的编码相位梯度超表面能同时产生两束l=-1、两束l=-2、两束l=+1和两束l=+2的涡旋波，其将在无线通信及高分辨率成像等方面有潜在应用价值。

关键词：太赫兹涡旋波编码相位梯度超表面编码元素

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基于超表面的涡旋波通信仿真系统实验设计

实验技术与管理 2024年第2期41卷 146-155页

作者：李迎松杨国辉张狂安徽大学电子信息工程学院安徽合肥230601 哈尔滨工业大学电子与信息工程学院黑龙江哈尔滨150086

为了让学生深入理解涡旋波传播原理,掌握涡旋波通信的特点,该文提出涡旋波通信传输实验方案。首先,介绍了涡旋波的基本原理,并利用CST电磁仿真软件完成了同极化轨道角动量超表面的设计;其次,搭建了涡旋波通信传输系统,介绍了基于超表面... 详细信息

为了让学生深入理解涡旋波传播原理,掌握涡旋波通信的特点,该文提出涡旋波通信传输实验方案。首先,介绍了涡旋波的基本原理,并利用CST电磁仿真软件完成了同极化轨道角动量超表面的设计;其次,搭建了涡旋波通信传输系统,介绍了基于超表面的涡旋波通信系统架构,并对涡旋波通信进行测试验证。实验结果表明,所设计的超表面涡旋波通信系统可以实现涡旋波的传输和接收,并实现低误码率接收。该文通过仿真和实验相结合的教学方式阐述涡旋波的产生、发射、传输和接收,不仅能够让学生认识和理解涡旋波,还可以进行涡旋波超表面的仿真设计,掌握涡旋波超表面的加工和超表面涡旋波通信的整个过程,在很大程度上激发了学生的学习热情。

关键词：涡旋波同极化超表面阵列微波暗室 CST仿真软件通信演示系统

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基于反射型超表面的超宽带涡旋波生成

海军航空大学学报 2024年第2期39卷 205-214页

作者：王水宁史超周远国西安科技大学通信与信息工程学院陕西西安710600 中国石油集团测井有限公司测井技术研究院陕西西安710077

由于轨道角动量的模态正交性,涡旋波的应用已成为提升信道容量的关键。然而,现有的涡旋波产生装置存在带宽窄、效率低、结构复杂等缺点,不利于无线通信系统信号的高效传输。文章利用Pancharatnam-Berry相位原理,提出了1种用于产生涡旋... 详细信息

由于轨道角动量的模态正交性,涡旋波的应用已成为提升信道容量的关键。然而,现有的涡旋波产生装置存在带宽窄、效率低、结构复杂等缺点,不利于无线通信系统信号的高效传输。文章利用Pancharatnam-Berry相位原理,提出了1种用于产生涡旋波的反射型超表面,能覆盖8.6~19.3 GHz(相对带宽76.7%)的频率范围,且在整个工作频带内入射平面波转换为反射涡旋波的效率达80%以上。为验证所提超表面结构的性能,模拟了由不同旋转角的单元结构组成的超表面反射阵列,在右旋圆极化波的激励下,产生了期望模式数l=2的轨道角动量涡旋波,其数值模拟结果与理论相符。提出的超表面具有工作频带宽、模式纯度较高、低剖面、易于制作等优点,为超宽带涡旋波的产生提供了新的参考。

关键词：轨道角动量超表面 Pancharatnam-Berry相位涡旋波

机器学习辅助太赫兹涡旋波超表面快速设计方法

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无线电通信技术 2024年第1期50卷 128-134页

作者：司黎明邓嘉轩吕昕北京理工大学集成电路与电子学院/毫米波与太赫兹技术北京市重点实验室北京100081

太赫兹涡旋波产生与调控被认为是6G通信、雷达探测、新型传感器的关键技术之一。利用人工超表面产生涡旋波,相较于传统方法具有平面化、集成化、低成本的特点,但是面临复杂的参数设计和分析,需要耗费大量的时间和算力。为此,提出一种机... 详细信息

太赫兹涡旋波产生与调控被认为是6G通信、雷达探测、新型传感器的关键技术之一。利用人工超表面产生涡旋波,相较于传统方法具有平面化、集成化、低成本的特点,但是面临复杂的参数设计和分析,需要耗费大量的时间和算力。为此,提出一种机器学习辅助太赫兹涡旋波超表面快速设计方法,通过长短期记忆(Long Short-Term Memory, LSTM)神经网络法快速得到满足相位需求的超单元并进行一体化组阵。利用该方法,设计构筑了三块模数l分别为1、2、3的太赫兹涡旋波超表面,仿真结果表明,设计的太赫兹涡旋波束模式纯度达到80%以上。机器学习辅助太赫兹涡旋波超表面设计方法具备精度高、快速、一体化设计等优点,有望运用于太赫兹幅度、相位、极化、轨道角动量等复杂波束调控领域。

关键词：机器学习快速设计太赫兹涡旋波超表面

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基于RSMA的涡旋波通信预编码优化研究

基于RSMA的涡旋波通信预编码优化研究

作者：程枫陟中国矿业大学

学位级别：硕士

现有的无线通信系统是以时分复用、频分复用等复用技术为基础,其对传统频谱资源（时间、频率等）的利用正不断逼近理论极限,难以采用传统的复用技术来显著提升系统频谱效率。作为一种新型的通信资源,涡旋波的轨道角动量（Orbital Angula... 详细信息

现有的无线通信系统是以时分复用、频分复用等复用技术为基础,其对传统频谱资源（时间、频率等）的利用正不断逼近理论极限,难以采用传统的复用技术来显著提升系统频谱效率。作为一种新型的通信资源,涡旋波的轨道角动量（Orbital Angular Momentum,OAM）可以显著提升频谱利用率。为了避免涡旋波波束产生严重的中空发散和传输损耗,现有的涡旋波通信主要利用低整数OAM模态,导致涡旋波可复用的OAM模态数难以满足大量用户的接入需求。针对多用户涡旋波通信场景,需要利用多址技术在复用OAM模态资源的同时控制同OAM模态用户之间的干扰。速率分拆多址接入（Rate-Splitting Multiple Access,RSMA）作为灵活管理信道干扰的多址传输技术,使用公共信息与私有信息的分拆传输模式。其公共信息可由所有用户解码而私有信息仅允许私有用户解码,有效提升了多用户接入系统的性能。为了提高涡旋波通信的用户接入能力与速率性能,本文将涡旋波通信与RSMA技术相结合,研究了涡旋波通信的RSMA预编码优化算法;在涡旋波通信的公平问题中提出了RSMA结合空分多址接入（Space Division Multiple Access,SDMA）的传输方式,研究了多址接入选择与预编码优化算法。面向基于RSMA的涡旋波通信,论文进行了以下工作:（1）为了最大化涡旋波通信的系统和速率,研究了涡旋波通信的RSMA预编码优化算法。在多用户场景下,基于均匀圆阵列天线建立了采用RSMA技术的涡旋波通信系统模型。结合分式规划算法推导了最大化系统和速率的预编码优化算法。仿真部分通过将不同的多址策略、涡旋波OAM模态组合对系统和速率的影响进行比较分析,验证了基于RSMA技术的涡旋波通信策略在系统和速率上的性能优势。（2）为保障公平性设计了RSMA-SDMA涡旋波通信的预编码优化算法。建立了基于RSMA-SDMA的多用户涡旋波通信系统模型。针对用户公平速率问题,提出了双层轮换多址优化算法,优化了涡旋波通信的RSMA-SDMA预编码和多址接入的选择。仿真通过对不同的多址策略、涡旋波OAM模态组合、优化算法对用户公平速率的影响进行比较分析,验证了优化预编码的RSMA-SDMA涡旋波通信策略在用户公平速率上的性能优势。

关键词：涡旋波速率分拆多址接入预编码优化系统和速率用户公平速率

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基于反射超表面的偏馈式涡旋波产生装置

物理学报 2021年第19期70卷 257-263页

作者：孙胜阳棂均沙威电子科技大学电子科学与工程学院成都611731 浙江大学信息与电子工程学院杭州310027

由于具有拓宽信道的能力,携带轨道角动量的涡旋电磁波已经受到越来越多学者的研究.目前,基于反射式涡旋波发生装置仍然存在两个问题需要解决:1)馈源的遮挡;2)由馈源和反射表面所引起的交叉极化分量.本文提出了一种基于超表面的偏馈式涡... 详细信息

由于具有拓宽信道的能力,携带轨道角动量的涡旋电磁波已经受到越来越多学者的研究.目前,基于反射式涡旋波发生装置仍然存在两个问题需要解决:1)馈源的遮挡;2)由馈源和反射表面所引起的交叉极化分量.本文提出了一种基于超表面的偏馈式涡旋波产生装置,该装置包括超表面反射阵和非正对区域放置的天线馈源.本文主要贡献为以下三方面:1)设计了一种几何相位的超表面单元;2)主、交叉极化的转化过程被详细分析;3)具体的偏馈式涡旋波产生装置被设计.通过合理设计超表面单元,实现了仅对馈源主极化场的相位补偿与汇聚调控,最终在期望的观测位置形成具有场增强效果的低交叉极化涡旋波.仿真与实验分别验证了极化选择特性与汇聚涡旋波的形成.该装置结构简单,具有极化选择性和区域场增强效果,对涡旋波通信及相关应用具有潜在价值.

关键词：超表面涡旋波偏馈 Pancharatnam-Berry相位

一种电离层涡旋波加热模式下的阵列馈电设计方法

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电子学报 2018年第6期46卷 1415-1420页

作者：崔玉国郝书吉班盼盼中国电波传播研究所电波环境特性及模化技术重点实验室山东青岛266107

涡旋波加热是目前电离层加热试验技术研究的一个热点,但主要侧重于试验现象的分析和解释,对产生涡旋波的阵列馈电设计方法讨论很少.本文首先基于菲涅耳衍射理论,在近轴近似条件下推导出电离层加热涡旋波自由空间传播特性的解析表达式,... 详细信息

涡旋波加热是目前电离层加热试验技术研究的一个热点,但主要侧重于试验现象的分析和解释,对产生涡旋波的阵列馈电设计方法讨论很少.本文首先基于菲涅耳衍射理论,在近轴近似条件下推导出电离层加热涡旋波自由空间传播特性的解析表达式,作为涡旋波加热模式下阵列馈电设计方法的检验依据;然后依据矢量磁位的非齐次赫姆霍茨方程,得到了任意阶拉盖尔-高斯涡旋波模式下的阵列馈电分布计算公式,并用已有文献的结果进行了验证,为馈电幅相设计方法提供了理论指导;在此基础上,引入"稀疏阵"的概念,以矩形平面阵为例,给出了一种涡旋场模式下天线阵列馈电幅相的设计方法.该方法简单方便,实用性强,并可推广应用于任意平面阵列形式.仿真结果验证了本文方法的正确性.

关键词：涡旋波菲涅尔衍射赫姆霍茨方程稀疏阵

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基于多环结构的八模态涡旋波微带天线

电波科学学报 2018年第4期33卷 455-462页

作者：朱茂华梁仙灵姚羽耿军平朱卫仁金荣洪上海交通大学上海200240

介绍了一种多模态涡旋电磁波单元天线设计方法.利用四个同心短路圆环微带贴片产生八模态的涡旋电磁波波束.该单元天线结构简单,尺寸小.仿真与实验结果表明,八个模态(l=±1,±2,±3,±4)均拥有良好的涡旋相位特性,相应阶数的单元增益分别... 详细信息

介绍了一种多模态涡旋电磁波单元天线设计方法.利用四个同心短路圆环微带贴片产生八模态的涡旋电磁波波束.该单元天线结构简单,尺寸小.仿真与实验结果表明,八个模态(l=±1,±2,±3,±4)均拥有良好的涡旋相位特性,相应阶数的单元增益分别为4.8 dBi,4.1 dBi,5.1 dBi,5.3 dBi,各模态的阻抗带宽均大于100MHz.该天线为多模涡旋电磁波应用提供了一种新的可能.

关键词：涡旋波短路圆环微带贴片端口隔离多模态

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非对称槽道中涡旋波的特性研究

力学学报 2005年第6期37卷 682-688页

作者：刘凤霞刘志军李丰郅红虹史启财周集体大连理工大学化工机械系大连116012

利用PIV流场显示技术,对振荡流体在非对称槽道中涡旋波的产生、发展和消失的规律进行了实验研究和分析,测得了涡旋波流场的速度矢量图,阐明了涡旋波流场周期性变化的特点.结合涡动力学方程,深入分析并揭示了做周期性运动的流体能在槽道... 详细信息

利用PIV流场显示技术,对振荡流体在非对称槽道中涡旋波的产生、发展和消失的规律进行了实验研究和分析,测得了涡旋波流场的速度矢量图,阐明了涡旋波流场周期性变化的特点.结合涡动力学方程,深入分析并揭示了做周期性运动的流体能在槽道中产生波的特性这一规律,从中发现:流体周期变化的非定常性和不对称的槽道结构是形成涡旋波流动的主要因素.本文对涡旋波流场中各个旋涡的速度分布和涡量进行了测量和计算,分析了涡旋波强化传质的机理,并研究了Re数对涡旋波流动的影响.

关键词：振荡流涡旋波 PIV Re数速度矢量图涡量