[發明專利]基于隨機頻率分集陣列的距離敏感局部渦旋波產生方法

有效

• 申請號: 202111140835.3
• 申請日: 2021-09-28
• 公開（公告）號: CN113660012B
• 公開（公告）日: 2022-09-23
• 發明（設計）人: 朱長駒;宋茂忠;朱秋明
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: H04B7/0408
• 分類號: H04B7/0408;H04B7/12
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種基于隨機頻率分集陣列的距離敏感局部渦旋波產生方法，屬于波束控制領域。通過將可產生渦旋波的均勻圓形相控陣列中各陣元引入的時變隨機相位整周數與均勻圓弧頻率分集陣列中的陣元頻偏建立函數關系，設計具有隨機頻偏特性的圓弧頻率分集陣列。切換圓弧陣列可在不同的照射方位內產生具有較高輻射增益和距離敏感特性的局部渦旋波。各陣元隨機頻偏的時變性使得非期望距離處的波前無規則分布，僅在期望距離處能夠保持局部渦旋波的波前特性。本發明所述距離敏感的局部渦旋波在安全傳輸中具有較好的應用前景。

技術領域

本發明屬于頻率分集陣的波束控制領域，具體涉及均勻圓弧隨機頻率分集陣列產生距離敏感的局部渦旋波。

背景技術

微波頻段渦旋波普遍采用0～360度的完整渦旋特性，通過模態正交提高通信容量，感知現實目標和探測成像。目前渦旋波的產生方法包括透射裝置移相法，反射裝置移相法和陣列天線移相法。透射裝置移相法是將介質基板的厚度設計為隨機方位角變化而逐漸增加，形成螺旋相位板，便可產生渦旋波。發射反射裝置移相法類似于螺旋相位板，采用螺旋反射面產生具有螺旋相位的反射波。這兩種方法采用固定的幾何結構產生單一模態的渦旋波。陣列天線移相法能夠靈活改變均勻圓形陣列(uniform circular array，UCA)陣元間的饋電相位差產生多模態的渦旋波，在通信和雷達系統中被廣泛應用。這些方法產生微波頻段的渦旋波易發散，需要較大孔徑的天線完成接收，增加了接收端的成本。相關研究采用較少的天線組成準圓形相控陣列天線將渦旋波的照射范圍限制在局部區域內，但在可接收的距離范圍內易被攔截，不利于安全傳輸。研究人員結合頻率分集陣列(frequencydiverse array，FDA)的距離相關特性，在期望距離處產生具有渦旋波特性的波前，但波束的全方位照射在0～360度范圍內存在被竊聽的風險；此外，該方法采用與距離相對應的固定頻偏，使得波前在非期望距離處有規律畸變，易被監測波前的變化規律。

針對以上問題，本發明設計一種具有隨機頻偏特性的圓弧FDA，在局部照射區域內產生距離敏感的螺旋相位波前，并在局部區域內獲得較高的輻射增益，通過切換圓弧陣列可調節距離敏感的局部渦旋波照射方位。隨機頻偏使得波前在非期望距離處無規律畸變，而不影響期望距離處的局部渦旋波照射。

發明內容

發明目的：本發明提出基于隨機FDA的距離敏感局部渦旋波產生方法，其目的在于在局部方位和期望距離處產生具有螺旋相位特性的波前，非期望距離處的波前特性隨相位整周數的隨機變化發生隨機畸變，通過切換圓弧FDA來改變局部渦旋波的照射方位，來提高期望區域的安全性，使波束照射更有針對性性。

本發明的目的通過以下步驟實現：

1.FDA隨機頻偏設計

1)配置FDA

采用UCA可產生攜帶軌道角動量的渦旋波，相鄰陣元間的相位差為2πl/M，其中M為陣元總數，l表示軌道角動量模態，l＜M/2。如圖1所示，接收機與UCA中心之間的距離為d，β_m是均勻圓形陣列中第m個陣元的方位角，均勻圓形陣列半徑R≥Mλ/4π，λ為波長，λ＝f/c，f表示中心載波頻率，c為光速，起始陣元坐標為(R，0，0)。對所有陣元的激勵相位均加上旋轉相位θ，則陣元的激勵相位為lβ_m+θ，使得渦旋波的相位波前整體旋轉。對UCA陣元采用頻率分集技術，得到均勻圓形FDA，則第m個陣元的載波頻率為

f_m＝f+Δf_m，m＝1，2，...，M (1)

其中，Δf_m是第m個天線陣元的頻率偏移，且max{|Δf_m|}＜＜f。

2)頻偏與相位的函數關系設計

在均勻圓形FDA中產生渦旋波，設計頻偏和相位之間的關系為