[發明專利]一種旋轉圓極化陣元產生OAM波束的圓形天線陣設計方法

在審

• 申請號: 201710832644.0
• 申請日: 2017-09-15
• 公開（公告）號: CN107645068A
• 公開（公告）日: 2018-01-30
• 發明（設計）人: 董健;莊鑫;姜澤鋒;鄧聯文
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: H01Q21/00
• 分類號: H01Q21/00;H01Q1/50
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所43114
• 代理人: 龔燕妮

1.一種旋轉圓極化陣元產生OAM波束的圓形天線陣設計方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：依據設定的天線中心頻率f，以及陣元中心頻率處圓極化波的軸比小于3dB的要求，確定單個陣元的結構；

步驟2：將N個步驟1所確定的陣元沿圓周等間距排列成初始均勻圓形陣；

步驟3：對初始圓形陣中的所有陣元進行相同相位的饋電激勵，并對所有陣元進行同向旋轉，得到旋轉后的圓形天線陣；

從順時針方向看旋轉后的圓形天線陣，任意前后相鄰陣元之間的角度差為Δφ＝2πi/N，其中，i為整數，且|i|<N/2；i取正值時表示所有陣元順時針旋轉，i取負值時表示所有陣元逆時針旋轉；

步驟4：調節旋轉后的圓形天線陣所在圓周的半徑，使得旋轉后的圓形天線陣的場相位圖呈現螺旋相位波前，產生OAM波束，得到最終的圓形天線陣。

2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟3得到的旋轉后的圓形天線陣所在的圓周半徑的取值范圍為0.4λ-λ，其中，λ為單個陣元的中心工作頻率對應的波長。

3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟1中的陣元采用矩形微帶貼片天線，饋電形式為單點饋電或正交雙饋；

所述矩形微帶貼片天線的結構中的貼片尺寸以及饋電點位置按以下過程確定：

首先，根據給定的天線中心頻率f，并結合所選的介質基板的厚度h和相對介電常數ε_r，計算矩形微帶貼片天線的初始尺寸：

W=c2f(ϵr+12)-12,L=c2fϵe-2Δl]]>

其中，W和L分別為矩形微帶貼片天線的寬度和長度，c為光速，ε_e和Δl分別是矩形微帶貼片天線的等效介電常數和等效輻射縫隙長度；

Δlh=0.412(ϵe+0.3)(W/h+0.264)(ϵe-0.258)(W/h+0.8),ϵe=ϵr+12+ϵr-12(1+12hW)-12]]>

然后，利用介質基板參數和矩形微帶貼片天線的初始尺寸，估算產生圓極化波的陣元饋電點位置，并基于矩形微帶貼片天線的初始尺寸和估算的陣元饋電點位置確定陣元尺寸和饋電點位置仿真范圍；

最后，將介質基板參數、矩形微帶貼片天線的初始尺寸以及估算得到的陣元饋電點位置輸入電磁場仿真軟件中，基于矩形微帶貼片天線初始尺寸確定陣元尺寸仿真范圍，采用電磁場仿真軟件的優化設計功能在陣元尺寸和饋電點位置仿真范圍中對陣元尺寸和饋電點位置進行優化，選取軸比帶寬最寬的陣元。

4.根據權利要求1所述方法，其特征在于，若單個陣元產生右旋圓極化波，所述最終的圓形天線陣產生的OAM波束模式數l＝i；若單個陣元產生左旋圓極化波，所述最終的圓形天線陣產生的OAM波束模式數l＝-i。