CN109216943B - 基于调相的方向可控混合模态涡旋波束产生装置 - Google Patents

基于调相的方向可控混合模态涡旋波束产生装置 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于调相的方向可控混合模态涡旋波束产生装置，用于解决现有混合模态涡旋波束产生装置存在的涡旋波束传输方向不可控以及馈电网络设计难度较大的技术问题，包括由N个沿圆周均匀分布的微带天线单元组成的环状阵列，N≥8，微带天线单元包括介质基板(1)、分别印制在介质基板(1)上表面的微带贴片(2)和下表面的地板(3)，所述微带贴片(2)与地板(3)通过同轴馈线(4)连接，通过改变传输方向
Figure DDA0001752956180000011
的方位角
Figure DDA0001752956180000012
和俯仰角θ与涡旋波束的混合模态值lk，计算出各单元同轴馈线(4)的馈电相位，实现方向可控混合模态涡旋波束产生。本发明扩大了混合模态涡旋波束的覆盖范围，可应用于无线通信与雷达成像中。

Description

基于调相的方向可控混合模态涡旋波束产生装置
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种涡旋波束产生装置，特别涉及一种方向可控混合模态涡旋波束产生装置，可用于通信与成像系统。
背景技术
随着无线通信技术的迅速发展，现有信息容量已经无法满足日益提高的信息需求，不可再生的频谱资源也日趋匮乏，拓展新技术以提升通信容量与频谱利用率成为通信技术发展的关键。与现今广泛使用的时分复用、码分复用、频分复用等复用技术的机理不同，携带轨道角动量的涡旋电磁波利用不同轨道角动量模态具有正交性这一性质，可以形成多个易于传输和解调，且互不影响的独立信道，从而保证了信息传输的效率。涡旋电磁波异于平面波的特性在于其螺旋状的等相位面，即其波前相位是围绕传输轴以螺旋状进行传输的，且这种螺旋状的特征因轨道角动量的模态数不同而不同，在理论上，轨道角动量的模态数有无穷多种，从而使得涡旋波在理论上具有无穷多种相互正交的形式，体现出提高信息运载能力的潜力。
从现有研究可以看出涡旋波携带信息的能力与其相应产生装置产生的涡旋波的质量密不可分，所以对涡旋波产生装置的研究成为涡旋波投入应用的关键。传统的涡旋波产生方式有：单个天线、阵列天线、透射螺旋结构、反射螺旋面等，其中圆环型阵列天线是较为常用的产生装置，其结构特征为天线单元均匀分布在圆环上，并通过对不同阵元的激励进行调制以产生混合模态波束。而同时调制激励的相位与幅度需要在馈电网络中设计不等功率分配器，这增加了圆环型阵列馈电网络的设计难度。并且传统圆环型阵列天线所产生的涡旋波束垂直于圆环型阵列在空间中传输，传输方向无法进行调控，限制了混合模态涡旋波束的覆盖范围。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于调相的方向可控混合模态涡旋波束产生装置，用于解决现有混合模态涡旋波束产生装置存在的涡旋波束传输方向不可控以及馈电网络设计难度较大的技术问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于调相的方向可控混合模态涡旋波束产生装置，包括由N个沿圆周均匀分布的微带天线单元组成的环状阵列，N≥8，所述微带天线单元包括介质基板1、分别印制在介质基板1上表面的微带贴片2和下表面的地板3，所述微带贴片2与地板3通过同轴馈线4连接；
所述N个微带天线单元中各同轴馈线4所提供激励信号的幅度相同，各同轴馈线4所提供激励信号的相位
Figure BDA0001752956160000021
通过如下公式确定：
Figure BDA0001752956160000022
其中，λ为微带天线单元中心工作频率的波长，j为虚数单位，
Figure BDA0001752956160000023
为第i个微带天线单元几何中心位置所对应的矢径，
Figure BDA00017529561600000212
为混合模态涡旋波束所指方向的单位矢量，k为混合模态涡旋波束中包含的每个单模态涡旋波束的编号，M为单模态涡旋波束的总个数，lk为第k个单模态涡旋波束所具有的模态值，|lk|＜N/2，Φ为坐标变换的中间变量，其计算公式为：
Figure BDA0001752956160000024
其中，xi与yi分别为第i个微带天线单元几何中心位置在直角坐标系中的横坐标和纵坐标，
Figure BDA0001752956160000025
和θ分别为混合模态涡旋波束的方向在球坐标系中的方位角和俯仰角，
Figure BDA0001752956160000026
上述基于调相的方向可控混合模态涡旋波束产生装置，所述微带贴片2，其几何中心位于介质基板1的中心法线上，该几何中心到环状阵列的中心距离为R，0.8λ≤R≤3λ，λ为微带天线单元中心工作频率的波长。
上述基于调相的方向可控混合模态涡旋波束产生装置，所述激励信号的相位
Figure BDA0001752956160000027
其计算公式中的
Figure BDA0001752956160000028
为第i个微带天线单元为实现混合模态涡旋波束沿特定偏转方向
Figure BDA0001752956160000029
偏转时所需的补偿相位，lkΦ为第i个微带天线单元为实现第k个模态值为lk的单模态波束所需的补偿相位。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明通过改变波束传输方向
Figure BDA00017529561600000210
的方位角
Figure BDA00017529561600000211
和俯仰角θ，利用激励相位公式中波束偏转的相位补偿可以计算出各单元同轴馈线的馈电相位，实现波束沿任意传输方向
Figure BDA0001752956160000031
的偏转，解决了现有圆环型阵列产生混合模态涡旋波束时传输方向不可调控的问题，扩大了混合模态涡旋波束的覆盖范围，同时由于仅需提取混合模态涡旋波束所需相位，简化了传统圆环型阵列产生混合模态涡旋波束时需要对幅度、相位同时调制的激励设置，馈电网络可设计为单纯调相的等功率分配的功分器，克服了复杂馈电网络带来的激励信号不准确的影响，降低了设计难度。
附图说明
图1为本发明实施例的整体结构示意图；
图2为本发明微带天线单元侧视图；
图3为本发明微带天线单元俯视图；
图4为本发明实施例1的涡旋波束三维方向图；
图5为本发明实施例1的涡旋波束相位分布图；
图6为本发明实施例1的解复用模态谱分布图；
图7为本发明实施例2的涡旋波束三维方向图；
图8为本发明实施例2的涡旋波束相位分布图；
图9为本发明实施例2的解复用模态谱分布图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细描述：
实施例1：
参照图1、本实施例圆环形阵列由N个沿圆周均匀分布的微带天线单元组成，N＝8，设计中心工作频率f＝6GHz，微带天线单元中心工作频率的波长λ＝50mm，微带贴片2的几何中心位于介质基板1的中心法线上，该几何中心到圆环状阵列的中心距离为R，R＝1.2λ＝60mm。
微带天线单元结构参照图2所示，包括介质基板1、分别印制在介质基板1上表面的微带贴片2和下表面的地板3，微带贴片2与地板3通过同轴馈线4连接，介质基板1的相对介电常数为εr＝3.66，厚度为h＝0.508mm；同轴馈线4距离微带贴片几何中心沿y轴方向距离e＝2.2mm。
微带天线单元俯视结构参照图3所示，介质基板1的长为c＝32mm，宽为d＝24mm；微带贴片2的长为a＝16mm，宽为b＝12.525mm，其中微带贴片2的几何中心位于介质基板的中心法线上；地板3的尺寸与介质基板一致。
所述8个微带天线单元中各同轴馈线4所提供激励信号的幅度相同，各同轴馈线4所提供激励信号的相位
Figure BDA0001752956160000041
通过如下公式确定：
Figure BDA0001752956160000042
其中，微带天线单元中心工作频率的波长λ＝50mm，j为虚数单位，
Figure BDA0001752956160000043
为第i个微带天线单元几何中心位置所对应的矢径，
Figure BDA0001752956160000044
为混合模态涡旋波束所指方向的单位矢量，设置偏转方位角
Figure BDA0001752956160000045
偏转俯仰角θ＝30°，单模态涡旋波束的总个数M＝2，k为混合模态涡旋波束中包含的每个单模态涡旋波束的编号，lk为第k个单模态涡旋波束所具有的模态值，其中l1＝+1、l2＝+2，Φ为坐标变换的中间变量，其计算公式为：
Figure BDA0001752956160000046
参照图1微带天线阵元排布，其中xi与yi分别为第i个微带天线单元几何中心位置在直角坐标系中的横坐标和纵坐标。
所述激励信号的相位
Figure BDA0001752956160000047
其计算公式中的
Figure BDA0001752956160000048
为第i个微带天线单元为实现混合模态涡旋波束沿特定偏转方向
Figure BDA0001752956160000049
偏转时所需的补偿相位，此设置解决了传统圆环型阵列波束传输方向不可调控的问题，扩大了混合模态涡旋波束的覆盖范围，其公式中相位
Figure BDA00017529561600000410
的计算采用了角度提取的方法获得偏转后混合模态涡旋波所需的馈电相位信息，简化了传统圆环型阵列产生混合模态涡旋波束时对幅度、相位同时调制的激励设置，馈电网络可设计为单纯调相的等功率分配的功分器，克服了复杂馈电网络带来的激励信号不准确的影响，降低了设计难度。
为方便起见，参照图1的圆环型阵列，将x轴上的微带天线单元的标号记为1，并按逆时针顺序依次为之后的微带天线单元记标号，根据上述馈电相位计算公式得到每个微带天线单元所需的馈电相位，从而得到各微带天线单元所需的幅度与相位如表一所示：
表一
单元标号 1 2 3 4 5 6 7 8
幅度 1 1 1 1 1 1 1 1
相位 144 -91.4 135 1.4 135 -55.9 -135 145.9
根据表一提供的馈电信息，利用高频电磁仿真软件HFSS对本发明的装置进行仿真，得到图4所示的涡旋波束三维方向图、图5所示的涡旋波束相位分布图与图6经过解复用后模态谱分布图。
由图4所示三维方向图可以看出混合模态涡旋波束的增益分布情况，波束传播方向的单位矢量为
Figure BDA0001752956160000051
其中
Figure BDA0001752956160000052
对应的方位角
Figure BDA0001752956160000053
为0°，俯仰角θ为30°。由图5所示可以看出所产生混合涡旋波的相位分布，而图6的模态谱解复用结果可以明显看出从混合模态分离出模态值lk为+1，+2的涡旋波束电场强度达到了设计要求。
实施例2：
本实例设计天线单元数N、中心工作频率和微带天线单元各结构尺寸与实施例1相同，同样参照图1的微带天线单元分布与图2的结构分布，8个微带天线单元中各同轴馈线4所提供激励信号的幅度相同，各同轴馈线4所提供激励信号的相位
Figure BDA0001752956160000054
通过如下公式确定：
Figure BDA0001752956160000055
其中，微带天线单元中心工作频率的波长λ＝50mm，j为虚数单位，
Figure BDA0001752956160000056
为第i个微带天线单元几何中心位置所对应的矢径，
Figure BDA0001752956160000057
为混合模态涡旋波束所指方向的单位矢量，设置偏转方位角
Figure BDA0001752956160000058
偏转俯仰角θ＝30°，单模态涡旋波束的总个数M＝2，k为混合模态涡旋波束中包含的每个单模态涡旋波束的编号，lk为第k个单模态涡旋波束所具有的模态值，其中l1＝+1、l2＝-1，Φ为坐标变换的中间变量，其计算公式为：
Figure BDA0001752956160000059
参照图1微带天线阵元排布，其中xi与yi分别为第i个微带天线单元几何中心位置在直角坐标系中的横坐标和纵坐标。
与实施例1相同，将微带天线单元分别标号，根据上述馈电相位计算公式得到每个微带天线单元所需的馈电相位，从而得到各微带天线单元所需的幅度与相位如表二所示：
表二
单元标号 1 2 3 4 5 6 7 8
幅度 1 1 1 1 1 1 1 1
相位 36 -27.3 0 -152.7 144 -152.7 0 -27.3
根据表二提供的馈电信息，利用高频电磁仿真软件HFSS对本发明的装置进行仿真，得到图7所示的涡旋波束三维方向图、图8所示的涡旋波束相位分布图与图9的解复用后模态谱分布图。
由图7所示三维方向图可以看出混合模态涡旋波束的增益分布情况，波束传播方向的单位矢量为
Figure BDA0001752956160000061
其中
Figure BDA0001752956160000062
对应的方位角
Figure BDA0001752956160000063
为180°，俯仰角θ为30°。由图8所示可以看出所产生混合涡旋波的相位分布，而图9的模态谱解复用结果可以明显看出从混合模态分离出模态值lk为+1，-1的涡旋波束电场强度达到了设计要求。
以上描述仅是本发明的两个具体实施例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于调相的方向可控混合模态涡旋波束产生装置，其特征在于：包括由N个沿圆周均匀分布的微带天线单元组成的圆环状阵列，N≥8，所述微带天线单元包括介质基板(1)、分别印制在介质基板(1)上表面的微带贴片(2)和下表面的地板(3)，所述微带贴片(2)与地板(3)通过同轴馈线(4)连接；所述N个微带天线单元中各同轴馈线(4)所提供激励信号的幅度相同，各同轴馈线(4)所提供激励信号的相位通过如下公式确定：
Figure FDF0000012987490000011
其中，λ为微带天线单元中心工作频率的波长，j为虚数单位，
Figure FDF0000012987490000012
为第i个微带天线单元几何中心位置所对应的矢径，
Figure FDF0000012987490000013
为混合模态涡旋波束所指方向的单位矢量，k为混合模态涡旋波束中包含的每个单模态涡旋波束的编号，M为单模态涡旋波束的总个数，lk为第k个单模态涡旋波束所具有的模态值，|lk|＜N/2，Φ为坐标变换的中间变量，其计算公式为：
Figure FDF0000012987490000014
其中，xi与yi分别为第i个微带天线单元几何中心位置在直角坐标系中的横坐标和纵坐标，
Figure FDF0000012987490000015
和θ分别为混合模态涡旋波束的方向在球坐标系中的方位角和俯仰角，
Figure FDF0000012987490000016
所述激励信号的相位其计算公式中的
Figure FDF0000012987490000017
为第i个微带天线单元为实现混合模态涡旋波束沿特定偏转方向偏转时所需的补偿相位，lkΦ为第i个微带天线单元为实现第k个模态值为lk的单模态波束所需的补偿相位。
2.根据权利要求1所述的基于调相的方向可控混合模态涡旋波束产生装置，其特征在于，所述微带贴片(2)，其几何中心位于介质基板(1)的中心法线上，该几何中心到圆环状阵列的中心距离为R，0.8λ≤R≤3λ，λ为微带天线单元中心工作频率的波长。
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