[发明专利]一种旋转圆极化阵元产生OAM波束的圆形天线阵设计方法

说明书

技术领域

本发明属于无线通信领域，具体涉及一种产生OAM波束的圆形天线阵列设计方法。

背景技术

OAM(Orbital Angular Momentum，轨道角动量)波束，又称涡旋电磁波，是一种携带OAM，具有螺旋相位波前的一种特殊电磁波。众所周知，目前由于各种通信需求不断上升，频谱资源变得越来越紧缺，为了提高频谱资源利用率，各种复用技术被发明出来，然而OAM波束却可以从新的自由度突破频带限制，极大地拓宽传输信号的能力，因此，近年来OAM波束越来越得到了通信领域的关注和研究。

OAM波束的产生方法主要包括螺旋形抛物面天线以及控制相位的圆形天线阵等。与螺旋抛物面天线相比，采用微带天线作为阵元的圆形天线阵具有体积小和易于制造的优点从而更受青睐。如周守利等人(参考文献：周守利，俞奇，梁显锋，安军社，顾伟驷.基于圆微带天线阵的射频涡旋电磁波的产生[J].强激光与粒子束，2016，28(7)：108-114)提出了一种产生OAM波束的双层圆形微带贴片结构。然而，对于通常的产生OAM波束的圆形微带天线阵而言，需要对各天线阵元进行等相位差馈电，即各相邻天线阵元间必须馈以一个连续的相位差其中，l为OAM波束的模式数且满足|l|<N/2，N为圆形阵天线单元总数。因此，需要设计N路不同长度的相移器，这会使得馈电网络变得较复杂。

发明内容

本发明的目的在于提出一种旋转圆极化阵元产生OAM波束的圆形天线阵设计方法，与现有产生OAM波束的圆形天线阵各阵元均采用等相位差馈电不同，本发明中圆形天线阵所有阵元均采用相同相位进行馈电，由于省去了多路长度不同的相移器，一方面可以简化馈电网络设计，另一方面避免了由各路相移器引入的相位误差。

一种旋转圆极化阵元产生OAM波束的圆形天线阵设计方法，包括以下步骤：

步骤1：依据设定的天线中心频率f，以及阵元中心频率处圆极化波的轴比小于3dB的要求，确定单个阵元的结构；

步骤2：将N个步骤1所确定的阵元沿圆周等间距排列成初始均匀圆形阵；

步骤3：对初始圆形阵中的所有阵元进行相同相位的馈电激励，并对所有阵元进行同向旋转，得到旋转后的圆形天线阵；

从顺时针方向看旋转后的圆形天线阵，任意前后相邻阵元之间的角度差为Δφ＝2πi/N，其中，i为整数，且|i|<N/2；i取正值时表示所有阵元顺时针旋转，i取负值时表示所有阵元逆时针旋转；

步骤4：调节旋转后的圆形天线阵所在圆周的半径，使得旋转后的圆形天线阵的场相位图呈现螺旋相位波前，产生OAM波束，得到最终的圆形天线阵。

进一步地，所述步骤3得到的旋转后的圆形天线阵所在的圆周半径的取值范围为0.4λ-λ，其中，λ为单个阵元的中心工作频率对应的波长。

进一步地，所述步骤1中的阵元采用矩形微带贴片天线，馈电形式为单点馈电或正交双馈；

所述矩形微带贴片天线的结构中的贴片尺寸以及馈电点位置按以下过程确定：

首先，根据给定的天线中心频率f，并结合所选的介质基板的厚度h和相对介电常数ε_r，计算矩形微带贴片天线的初始尺寸：

其中，W和L分别为矩形微带贴片天线的宽度和长度，c为光速，ε_e和Δl分别是矩形微带贴片天线的等效介电常数和等效辐射缝隙长度；

然后，利用介质基板参数和矩形微带贴片天线的初始尺寸，估算产生圆极化波的阵元馈电点位置，并基于矩形微带贴片天线的初始尺寸和估算的阵元馈电点位置确定阵元尺寸和馈电点位置仿真范围；

最后，将介质基板参数、矩形微带贴片天线的初始尺寸以及估算得到的阵元馈电点位置输入电磁场仿真软件中，基于矩形微带贴片天线初始尺寸确定阵元尺寸仿真范围，采用电磁场仿真软件的优化设计功能在阵元尺寸和馈电点位置仿真范围中对阵元尺寸和馈电点位置进行优化，选取轴比带宽最宽的阵元。

进一步地，若单个阵元产生右旋圆极化波，所述最终的圆形天线阵产生的OAM波束模式数l＝i；若单个阵元产生左旋圆极化波，所述最终的圆形天线阵产生的OAM波束模式数l＝-i。

具体来说，若单个阵元产生右旋圆极化波，当i依次取…,-2,-1,0,+1,+2,…时，最终圆形天线阵产生的OAM模式数l分别为…,-2,-1,0,+1,+2,…；

若单个阵元产生左旋圆极化波，当i依次取…,-2,-1,0,+1,+2,…时，最终圆形天线阵产生的OAM模式数l分别为…,+2,+1,0,-1,-2,…。