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[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

專利信息
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
地址: 410083 湖南*** 國(guó)省代碼: 湖南;43
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摘要:
搜索關(guān)鍵詞: 一種 旋轉(zhuǎn) 極化 產(chǎn)生 oam 波束 圓形 天線陣 設(shè)計(jì) 方法
【說(shuō)明書(shū)】:

技術(shù)領(lǐng)域

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)εr,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,εe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,…。

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