[發(fā)明專利]一種旋轉(zhuǎn)圓極化陣元產(chǎn)生OAM波束的圓形天線陣設(shè)計(jì)方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710832644.0
• 申請(qǐng)日: 2017-09-15
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107645068A
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-01-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 董健;莊鑫;姜澤鋒;鄧聯(lián)文
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號(hào): H01Q21/00
• 分類號(hào): H01Q21/00;H01Q1/50
• 代理公司: 長(zhǎng)沙市融智專利事務(wù)所43114
• 代理人: 龔燕妮

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于無(wú)線通信領(lǐng)域，具體涉及一種產(chǎn)生OAM波束的圓形天線陣列設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

OAM(Orbital Angular Momentum，軌道角動(dòng)量)波束，又稱渦旋電磁波，是一種攜帶OAM，具有螺旋相位波前的一種特殊電磁波。眾所周知，目前由于各種通信需求不斷上升，頻譜資源變得越來(lái)越緊缺，為了提高頻譜資源利用率，各種復(fù)用技術(shù)被發(fā)明出來(lái)，然而OAM波束卻可以從新的自由度突破頻帶限制，極大地拓寬傳輸信號(hào)的能力，因此，近年來(lái)OAM波束越來(lái)越得到了通信領(lǐng)域的關(guān)注和研究。

OAM波束的產(chǎn)生方法主要包括螺旋形拋物面天線以及控制相位的圓形天線陣等。與螺旋拋物面天線相比，采用微帶天線作為陣元的圓形天線陣具有體積小和易于制造的優(yōu)點(diǎn)從而更受青睞。如周守利等人(參考文獻(xiàn)：周守利，俞奇，梁顯鋒，安軍社，顧偉駟.基于圓微帶天線陣的射頻渦旋電磁波的產(chǎn)生[J].強(qiáng)激光與粒子束，2016，28(7)：108-114)提出了一種產(chǎn)生OAM波束的雙層圓形微帶貼片結(jié)構(gòu)。然而，對(duì)于通常的產(chǎn)生OAM波束的圓形微帶天線陣而言，需要對(duì)各天線陣元進(jìn)行等相位差饋電，即各相鄰天線陣元間必須饋以一個(gè)連續(xù)的相位差其中，l為OAM波束的模式數(shù)且滿足|l|<N/2，N為圓形陣天線單元總數(shù)。因此，需要設(shè)計(jì)N路不同長(zhǎng)度的相移器，這會(huì)使得饋電網(wǎng)絡(luò)變得較復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提出一種旋轉(zhuǎn)圓極化陣元產(chǎn)生OAM波束的圓形天線陣設(shè)計(jì)方法，與現(xiàn)有產(chǎn)生OAM波束的圓形天線陣各陣元均采用等相位差饋電不同，本發(fā)明中圓形天線陣所有陣元均采用相同相位進(jìn)行饋電，由于省去了多路長(zhǎng)度不同的相移器，一方面可以簡(jiǎn)化饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，另一方面避免了由各路相移器引入的相位誤差。

一種旋轉(zhuǎn)圓極化陣元產(chǎn)生OAM波束的圓形天線陣設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

步驟1：依據(jù)設(shè)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(gè)陣元的結(jié)構(gòu)；

步驟2：將N個(gè)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(duì)初始圓形陣中的所有陣元進(jìn)行相同相位的饋電激勵(lì)，并對(duì)所有陣元進(jìn)行同向旋轉(zhuǎn)，得到旋轉(zhuǎn)后的圓形天線陣；

從順時(shí)針?lè)较蚩葱D(zhuǎn)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(shù)，且|i|<N/2；i取正值時(shí)表示所有陣元順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，i取負(fù)值時(shí)表示所有陣元逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；

步驟4：調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)后的圓形天線陣所在圓周的半徑，使得旋轉(zhuǎn)后的圓形天線陣的場(chǎng)相位圖呈現(xiàn)螺旋相位波前，產(chǎn)生OAM波束，得到最終的圓形天線陣。

進(jìn)一步地，所述步驟3得到的旋轉(zhuǎn)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(gè)陣元的中心工作頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。

進(jìn)一步地，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(diǎn)饋電或正交雙饋；

所述矩形微帶貼片天線的結(jié)構(gòu)中的貼片尺寸以及饋電點(diǎn)位置按以下過(guò)程確定：

首先，根據(jù)給定的天線中心頻率f，并結(jié)合所選的介質(zhì)基板的厚度h和相對(duì)介電常數(shù)ε_r，計(jì)算矩形微帶貼片天線的初始尺寸：

其中，W和L分別為矩形微帶貼片天線的寬度和長(zhǎng)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(shù)和等效輻射縫隙長(zhǎng)度；

然后，利用介質(zhì)基板參數(shù)和矩形微帶貼片天線的初始尺寸，估算產(chǎn)生圓極化波的陣元饋電點(diǎn)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(diǎn)位置確定陣元尺寸和饋電點(diǎn)位置仿真范圍；

最后，將介質(zhì)基板參數(shù)、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(diǎn)位置輸入電磁場(chǎng)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(chǎng)仿真軟件的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能在陣元尺寸和饋電點(diǎn)位置仿真范圍中對(duì)陣元尺寸和饋電點(diǎn)位置進(jìn)行優(yōu)化，選取軸比帶寬最寬的陣元。

進(jìn)一步地，若單個(gè)陣元產(chǎn)生右旋圓極化波，所述最終的圓形天線陣產(chǎn)生的OAM波束模式數(shù)l＝i；若單個(gè)陣元產(chǎn)生左旋圓極化波，所述最終的圓形天線陣產(chǎn)生的OAM波束模式數(shù)l＝-i。

具體來(lái)說(shuō)，若單個(gè)陣元產(chǎn)生右旋圓極化波，當(dāng)i依次取…,-2,-1,0,+1,+2,…時(shí)，最終圓形天線陣產(chǎn)生的OAM模式數(shù)l分別為…,-2,-1,0,+1,+2,…；

若單個(gè)陣元產(chǎn)生左旋圓極化波，當(dāng)i依次取…,-2,-1,0,+1,+2,…時(shí)，最終圓形天線陣產(chǎn)生的OAM模式數(shù)l分別為…,+2,+1,0,-1,-2,…。