CN107645068A - 一种旋转圆极化阵元产生oam波束的圆形天线阵设计方法 - Google Patents
一种旋转圆极化阵元产生oam波束的圆形天线阵设计方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种旋转圆极化阵元产生OAM波束的圆形天线阵设计方法，该设计方法包括以下步骤：第一步，给定天线中心频率f，确定并优化单个阵元的结构以产生圆极化波；第二步，将N个步骤1所确定的阵元沿圆周等距排列成初始均匀圆形天线阵；第三步，对初始圆形阵中的各阵元进行相同相位的馈电激励并进行同向特定角度的旋转，得到旋转后的圆形天线阵；第四步，调节旋转后的圆形天线阵所在圆周的半径，使得旋转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。本发明由于不需要多路长度不同的相移器，可以简化馈电网络设计，同时避免了由各路相移器引入的相位误差。
Description
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εr，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，εe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,…。
有益效果
本发明提供了一种旋转圆极化阵元产生OAM波束的圆形天线阵设计方法，在该方法中，首先确定阵元初始结构，并利用阵元沿圆周等距排列，然后对所有阵元馈以相同相位的电流激励，并进行同向有规律的旋转，得到满足目标要求的圆形天线阵；利用本方法所设计的天线阵与常规的等相位差馈电产生OAM波束的圆形天线阵相比，本发明由于不需要多路长度不同的相移器，可以简化馈电网络设计，同时避免了由各路相移器引入的相位误差。
附图说明
图1是本发明所述圆形天线阵的初始排列示意图；
图2是实施例1中所述阵元示意图及轴比(AR)带宽曲线图，其中(a)为实施例1中产生右旋圆极化波的阵元俯视图，(b)为实施例1中产生右旋圆极化波的阵元侧视图，(c)为轴比(AR)带宽曲线图；
图3为实施例1产生模式数l＝+1和l＝+2的OAM波束的电场相位图，其中(a)为模式数l＝+1的OAM波束的电场相位图，(b)为模式数l＝+2的OAM波束的电场相位图；
图4为实施例2中所述阵元示意图及轴比(AR)带宽曲线图，其中(a)为实施例2中产生右旋圆极化波的阵元俯视图，(b)为实施例2中产生左旋圆极化波的阵元俯视图，(c)为实施例2中的阵元侧视图，(d)为其对应的轴比(AR)带宽曲线图；
图5为实施例2产生模式数l＝+1和l＝-1的OAM波束的电场相位图，其中(a)为右旋圆极化阵元组成的圆形阵产生的模式数l＝+1的OAM波束的电场相位图，(b)为左旋圆极化阵元组成的圆形阵产生的模式数l＝-1的电场相位图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
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。
实施例1：
利用8个单点馈电圆极化微带天线组成的圆形阵进行旋转产生OAM波束
步骤1：给定天线中心频率f，确定并优化单个阵元的结构，产生圆极化波，使得中心频率处圆极化波的轴比小于3dB；
设天线中心频率f取1.5GHz，单元设定为产生右旋圆极化波。经计算和仿真软件优化，矩形辐射贴片长为L1＝L0+a＝47.31mm，宽为W1＝W0-a＝45.98mm，其中，初始尺寸L0＝W0＝46.65mm，a＝0.0143×L0。介质基板材料取FR4环氧树脂，高度h＝1.6mm。馈电点距离x轴、y轴的距离均为d＝8.85mm，同轴馈线半径为0.6mm。具体阵元结构见图2(a)(b)。轴比带宽图见图2(c)。
步骤2：将8个步骤1所确定的阵元沿圆周等距排列成初始均匀圆形阵；
介质基板材料仍取FR4环氧树脂，高度仍取20mm，长度取268mm，宽度取260mm。接地板在介质基板的下侧，长宽与介质基板相同。
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，并进行同向旋转，得到旋转后的圆形天线阵。
保证从顺时针方向看，任意相邻阵元之间的角度差为Δφ＝2πi/8，其中，i为整数且满足|i|<4，i取正值表示顺时针旋转，i取负值表示逆时针旋转。
步骤4：调节旋转后的圆形天线阵所在圆周的半径，最终取得半径为80mm，使得旋转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。
天线中心频率为1.5GHz，对应的波长为200mm，那么天线阵的半径范围为80mm-200mm，一般来讲，在阵元间的互耦低于-10dB的前提下，阵列半径越小，能量更加集中，获得的螺旋相位波前效果越好。在本实施例中，当半径取80mm时，天线阵电场辐射相位图已呈现明显的螺旋相位波前，且阵元间的互耦低于-10dB。
为了简单说明列举两例：当步骤3中的角度差为π/4时，最终得到的电场相位图如图3(a)所示；角度差为π/2时，得到的电场相位图如图3(b)所示。从图中可以看出，图3(a)呈现一条明显的左旋螺旋相位波前，图3(b)呈现两条明显的左旋螺旋相位波前，由此证明，这两种情况分别产生了模式数为l＝+1和l＝+2的OAM波束。
实施例2：
利用L型探针正交双馈圆极化微带天线组成的圆形阵进行旋转产生OAM波束
步骤1：给定天线中心频率f，确定并优化单个阵元的结构，产生圆极化波，使得中心频率处圆极化波的轴比小于3dB；
天线中心频率f为2GHz，经过计算及仿真软件优化，取方形辐射贴片的长宽均取46.65mm，两个L型探针的馈电点在贴片两个领边中点正下方处，水平部分指向贴片中心，垂直高度为13.8mm，水平长度为17mm，半径为0.6mm，介质基板材质为空气，高度为20mm。具体结构见图4(a)(b)(c)，其中，当天线阵元馈电方式如图4(a)所示时，阵元产生右旋圆极化波；同理，馈电方式如图4(b)所示时，阵元产生左旋圆极化波，轴比带宽图见图4(d)。
步骤2：将8个步骤1所确定的阵元沿圆周等距排列成的初始均匀圆形阵；
介质基板材料取空气，高度仍取20mm，长度取268mm，宽度取260mm。接地板在介质基板的下侧，长宽与介质基板相同。
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，并进行同向旋转，得到旋转后的圆形天线阵；
保证从顺时针方向看，任意相邻阵元之间的角度差为Δφ＝2πi/8，其中，i为整数且满足|i|<4，i取正值表示顺时针旋转，i取负值表示逆时针旋转。
步骤4：调节旋转后的圆形天线阵所在圆周的半径，最终取得半径为93.5mm，使得旋转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。
天线中心频率为2GHz，对应的波长为150mm，那么天线阵半径范围为60mm-150mm，在本实施例中，综合考虑阵元间的互耦效应和辐射能量发散效应，经电磁仿真优化，半径取93.5mm时，天线阵电场辐射相位图呈现明显的螺旋相位波前，且阵元间的互耦低于-10dB。为了简单说明列举两例：当步骤3中的角度差为π/4时，产生右旋圆极化波的阵元组阵所产生的电场相位图如图5(a)所示，产生左旋圆极化波的阵元组阵所产生的电场相位图如5(b)所示。可以看到，图5(a)呈现一条明显的左旋螺旋相位波前，图5(b)呈现一条明显的右旋螺旋相位波前，由此证明，这两种情况分别产生了模式数为l＝+1和l＝-1的OAM波束。
本发明的实施方式并不限于以上两例，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。
Claims (4)
1.一种旋转圆极化阵元产生OAM波束的圆形天线阵设计方法，其特征在于，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。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，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。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，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εr，计算矩形微带贴片天线的初始尺寸：
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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，εe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；
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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。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，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。
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