CN110444903A

CN110444903A - 基于多环阵列的低副瓣涡旋波束产生方法

Info

Publication number: CN110444903A
Application number: CN201910647801.XA
Authority: CN
Inventors: 李龙; 郑雨珊; 冯强; 薛皓; 席瑞; 邵庆瑶
Original assignee: Xian University of Electronic Science and Technology
Current assignee: Xian University of Electronic Science and Technology
Priority date: 2019-07-18
Filing date: 2019-07-18
Publication date: 2019-11-12
Anticipated expiration: 2039-07-18
Also published as: CN110444903B

Abstract

本发明提出了一种基于多环阵列的低副瓣涡旋波束产生方法,用于解决现有涡旋波束产生方法存在的抑制发散角度导致过高副瓣的问题。其实现方案为：根据轨道角动量理论确定产生涡旋波束的模态值l和第i个圆环状阵列半径的扫描参数R_i(q)，及每个微带天线单元的方位角激励H_im、位置矢量根据阵列天线理论，利用确定的参数，构建第i个圆环状阵列的阵列因子c_i(θ,φ)；根据电场叠加原理构建涡旋波方向图函数F(θ)；根据F(θ)确定最低副瓣功率的扫描参数R_i(q')。本发明实现了低副瓣涡旋波束的产生，增强模态信息传输的完整性，提高了轨道角动量的通信质量，可用于无线通信与雷达成像。

Description

基于多环阵列的低副瓣涡旋波束产生方法

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别涉及一种低副瓣涡旋波束产生方法，可用于通信系统。

背景技术

随着通信技术的迅速发展，拓展无线通信的信道容量成为解决频谱拥挤的主要目标。携带轨道角动量的涡旋波束其模态复用特性为信道容量拓展带来了广阔前景。2007年，瑞典的B.Thide教授团队通过阵列天线的方式成功产生涡旋波束，这是在无线通信领域的首次应用，由此轨道角动量涡旋波逐步成为当今的研究热点。与平面波不同，涡旋波携带的旋转因子使其波前特性为围绕传输轴向前的螺旋相位面，其中模态值决定了具体的相位分布。目前的研究表明，不同模态值的涡旋波束之间具有正交性，使其可以实现同一频带传输多路信息，且信道之间相互独立。理论上，涡旋波束具有无穷模态值，无限的信息通道为现阶段频谱拥挤问题带来一个全新的解决思路。

为了实现高质量轨道角动量的通信应用，涡旋波的相应产生方法成为研究的关键。传统涡旋电磁波的产生方法为圆环型阵列天线等相位差调制方法，其使用的圆环型阵列天线是较为常用的产生装置，即天线单元均匀分布在圆环上，并通过调制阵元的激励相位差产生携带轨道角动量的涡旋波束，通过改变激励相位差产生不同模态的涡旋波束，并且通过调整阵列天线口径控制产生涡旋波束的发散角。由于涡旋波束的自身传输特性，波束具有中心空洞且形态发散的特点。传统的这种产生方法通过是增大阵列天线口径来抑制其波束发散角度，降低其模态信息接收难度，但这种方法的实现又同时增加了涡旋波束的副瓣增益，降低了轨道角动量的通信质量。

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，提出了一种基于多环阵列的低副瓣涡旋波束产生方法，以抑制发散角度且降低副瓣增益，提高轨道角动量的通信质量。

本发明的技术思路是：根据轨道角动量涡旋波束的产生原理确定多环阵列的天线单元放置方位角与激励，并通过实际口径尺寸限制与多环阵列确定需要分析的扫描参数范围；通过阵列天线理论构建圆环阵列因子，并结合电场叠加理论与等功率关系获取涡旋波方向图函数；通过计算最低副瓣功率获取扫描参数的半径尺寸。

根据上述思路，本发明的实现步骤包括如下：

一种基于多环阵列的低副瓣涡旋波束产生方法，所述多环阵列包括N个同圆心的圆环状阵列，第i个圆环状阵列包括M_i个沿圆周均匀分布微带天线单元，i＝1,2,…,N，N≥2，M_i+1≥M_i≥4，其特征在于，包括如下步骤：

(1)根据轨道角动量理论确定产生涡旋波束的模态值l和第i个圆环状阵列半径的扫描参数R_i(q)，以及每个微带天线单元的方位角激励H_im、位置矢量

(2)根据阵列天线理论，利用步骤(1)确定的参数，构建第i个圆环状阵列的阵列因子c_i(θ,φ)：

其中，θ,φ分别为坐标系中的天顶角与方位角，为波数矢量，J_l为l阶的贝塞尔函数，j为虚数单位；

(3)根据电场叠加原理构建涡旋波方向图函数F(θ)；

(3a)根据圆环状阵列之间的等功率关系与涡旋波束对称分布规律，利用阵列因子c_i(θ,φ)，确定归一化的圆环状阵列比例系数b(i)：

(3b)根据归一化的圆环状阵列比例系数b(i)与电场叠加原理，构建涡旋波方向图函数F(θ)：

(4)确定最低副瓣功率的扫描参数R_i(q')；

(4a)利用涡旋波方向图函数F(θ)，确定扫描参数的功率：

(4b)利用扫描参数的功率P(q)，确定归一化的扫描参数比例系数：其中，P(1)为q＝1的扫描参数的功率；

(4c)利用涡旋波方向图函数F(θ)与归一化的扫描参数比例系数u(q)，确定扫描参数的副瓣功率：其中，θ₀为方向图函数F(θ)的主瓣截止角度；

(4d)利用扫描参数的副瓣功率T(q)，确定最低副瓣功率的扫描参数顺序q'，其中，q'的限定条件为：T(q')＝Min(T(q))，Min为最小值函数；

(4e)利用最低副瓣功率的扫描参数顺序q'，获取最低副瓣功率的扫描参数R₁(q'),R₂(q'),…,R_i(q'),…,R_N(q')。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1)本发明通过阵列天线理论构建阵列因子，并结合电场叠加理论与等功率关系获取涡旋波方向图函数，解决了多环阵列的副瓣消除问题。

2)本发明通过计算扫描参数的最低副瓣功率，在减小波束发散角的基础上解决了副瓣过高的问题，抑制了涡旋波发散角度且降低副瓣影响，增强了模态信息传输的完整性，提高了轨道角动量的通信质量。

附图说明

图1是本发明实施例中多环阵列的结构示意图；

图2是本发明的实现流程图；

图3是本发明实施例最低副瓣功率的扫描参数方向图；

图4是仿真本发明实施例中多环阵列产生低副瓣涡旋波束的3D方向图；

图5是仿真本发明实施例中多环阵列产生低副瓣涡旋波束的2D方向图。

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：

参照图1，本发明使用的多环阵列，包括N个同圆心的圆环状阵列，第i个圆环状阵列包括M_i个沿圆周均匀分布微带天线单元，i＝1,2,…,N，N≥2，M_i+1≥M_i≥4。本实施例选取但不限于N＝2个圆环状阵列组成多环阵列，第一个圆环状阵列1和第二个圆环状阵列2均包括八个沿圆周均匀分布的微带天线单元，M₁＝M₂＝8，每个微带天线单元的中心工作频率为f＝3.9GHz。

参照图2，本发明基于多环阵列的低副瓣涡旋波束产生方法，包括如下步骤：

步骤1，确定产生涡旋波束的参数。

产生涡旋波束的参数包括：产生涡旋波束的模态值l，圆环状阵列半径的扫描参数R_i(q)，以及每个微带天线单元的方位角激励H_im、位置矢量各项参数的确定步骤如下：

1.1)根据轨道角动量理论，利用两个圆环状阵列的微带天线单元个数确定待产生的轨道角动量涡旋波束的模态值l＝1；

1.2)根据天线口径尺寸限制和两个圆环状阵列的微带天线单元个数，确定第一个圆环状阵列1半径的扫描参数为0.05m≤R₁(q)≤0.08m，确定第二个圆环状阵列2半径的扫描参数为0.088m≤R₂(q)≤0.118m，其中，参数扫描间隔为0.001m，扫描参数数量G＝961，q＝1,2,…,961；

1.3)利用两个圆环状阵列的微带天线单元个数确定两个圆环状阵列中微带天线单元的方位角为其中m＝1,2,…,8，通过该公式计算出第一个圆环状阵列1的八个微带天线单元的方位角分别为：0,45,90,135,180,225,270,315，第二个圆环状阵列2的八个微带天线单元的方位角分别为：0,45,90,135,180,225,270,315；

1.4)利用涡旋波束的模态值l与两个圆环状阵列的微带天线单元方位角确定每个微带天线单元的激励

将步骤1.3)计算出的分别代入H_im公式计算出第一个圆环状阵列1的八个微带天线单元的激励H_1m分别为e^j0,e^jπ/4,e^jπ/2,e^j3π/4,e^jπ,e^j5π/4,e^j3π/2,e^j7π/4；

将步骤1.3)计算出的分别代入H_im公式计算出第二个圆环状阵列2的八个微带天线单元的激励H_1m分别为e^j0,e^jπ/4,e^jπ/2,e^j3π/4,e^jπ,e^j5π/4,e^j3π/2,e^j7π/4，其中j为虚数单位；

1.5)利用微带天线单元方位角与扫描参数R_i(q)确定每个微带天线单元的位置矢量

将步骤1.2)确定的扫描参数R₁(q)与步骤1.3)计算出带入公式计算第一个圆环状阵列1中微带天线单元的位置矢量为：

将步骤1.2)确定的扫描参数R₂(q)与步骤1.3)计算出带入公式计算第二个圆环状阵列2中微带天线单元的位置矢量为：

步骤2，构建第i个圆环状阵列的阵列因子c_i(θ,φ)。

2.1)根据阵列天线理论，利用步骤1确定的参数，构建第一个圆环状阵列1的阵列因子c₁(θ,φ)：

2.2)根据阵列天线理论，利用步骤1确定的参数，构建第二个圆环状阵列2的阵列因子c₂(θ,φ)：

其中，θ,φ分别为坐标系中的天顶角与方位角，J₁为1阶的贝塞尔函数，j为虚数单位；

步骤3，构建涡旋波方向图函数F(θ)。

3.1)根据圆环状阵列之间的等功率关系与涡旋波束对称分布规律，利用阵列因子c_i(θ,φ)，构建归一化的圆环状阵列比例系数函数b(i)：

3.2)将步骤2构建的阵列因子c₁(θ,φ)，带入比例系数函数b(i)中，计算出归一化的第一个圆环状阵列1比例系数：b(1)＝1；

3.3)将步骤2构建的阵列因子c₂(θ,φ)，带入比例系数函数b(i)中，计算出归一化的第二个圆环状阵列2比例系数b(2)：

3.4)利用步骤2构建的阵列因子c_i(θ,φ)、步骤3.1)构建的归一化圆环状阵列比例系数b(i)与电场叠加原理，构建涡旋波方向图函数F(θ)：

3.5)将步骤3.2)与步骤3.3)的计算结果b(1)、b(2)带入涡旋波方向图函数F(θ)中，计算出本实施例的涡旋波方向图函数F(θ)

其中，

步骤4，确定最低副瓣功率的扫描参数R_i(q')。

4.1)利用步骤3构建的涡旋波方向图函数F(θ)，计算扫描参数的功率：

4.2)利用步骤4.1)计算的扫描参数的功率P(q)，计算归一化的扫描参数比例系数u(q)：

其中，P(1)为第一个扫描参数的功率；

4.3)利用步骤3构建的涡旋波方向图函数F(θ)与步骤4.2)计算的归一化扫描参数比例系数u(q)，计算扫描参数的副瓣功率T(q)：

其中，θ₀为方向图函数F(θ)的主瓣截止角度；

4.4)利用扫描参数的副瓣功率T(q)，计算最低副瓣功率Min(T(q))＝11.1384，其中，Min为最小值函数；

4.5)设定q'为最低副瓣功率T(q)的扫描参数顺序，构建q'的限定条件：T(q')＝Min(T(q))；

4.6)利用步骤4.4)确定最低副瓣功率Min(T(q))与步骤4.5)构建的限定条件，确定扫描参数顺序q'＝5；

4.7)利用步骤4.6)计算的最低副瓣功率的扫描参数顺序q'＝5，获取最低副瓣功率的扫描参数R₁(q')＝0.05m，R₂(q')＝0.092m。

将最低副瓣功率扫描参数R₁(q')设定为多环阵列的第一个圆环状阵列1半径，将最低副瓣功率扫描参数R₂(q')设定为多环阵列的第二个圆环状阵列2半径，通过半径分别为0.05m与0.092m两环阵列可产生低副瓣涡旋波，如图3所示，图3中曲线i＝1为半径0.05m的第一个圆环状阵列1方向图，曲线i＝2为半径0.092m的第二个圆环状阵列2方向图，结果表明，本实施例产生的涡旋波具有低副瓣特性。

以下结合仿真实验，对本发明的技术效果进行说明：

1.仿真条件：

在HFSS软件上对本发明实施例仿真，设多环阵列为两个，其中第一个圆环状阵列1的阵列半径设置为0.05m，第二个圆环状阵列2的阵列半径设置为0.092m。

2.仿真结果分析：

仿真1，在上述仿真条件下仿真本实施例产生的低副瓣涡旋波束的3D方向图，结果如图4，图4表明，本发明所产生涡旋波主瓣周围的副瓣分布较为均匀，且副瓣增益较低。

仿真2，在上述仿真条件下仿真本实施例产生的低副瓣涡旋波束的2D方向图，结果如图5，从图5可见，涡旋波的主副瓣隔离度可以达到18.5dB，符合低副瓣波束要求。表明本发明可以产生基于多环阵列的低副瓣涡旋波束，并增强了模态信息传输的完整性。

以上描述仅是本发明的一个具体实施例，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

1.一种基于多环阵列的低副瓣涡旋波束产生方法，所述多环阵列包括N个同圆心的圆环状阵列，第i个圆环状阵列包括M_i个沿圆周均匀分布微带天线单元，i＝1,2,…,N，N≥2，M_i+1≥M_i≥4，其特征在于，包括如下步骤：

(3)根据电场叠加原理构建涡旋波方向图函数F(θ)；

(4)确定最低副瓣功率的扫描参数R_i(q')；

(4a)利用涡旋波方向图函数F(θ)，确定扫描参数的功率：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(1)中产生涡旋波束的模态值l，是利用微带天线单元个数M_i确定，即l＜M_i/2。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(1)中第i个圆环状阵列半径的扫描参数R_i(q)，是根据天线口径尺寸限制、圆环形阵列个数N与微带天线单元个数M_i确定，q＝1,2,…,G，G为扫描参数个数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(1)中每个微带天线单元的方位角是利用第i个圆环状阵列的微带天线单元个数M_i确定，即m＝1,2,…,M_i。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(1)中每个微带天线单元的激励H_im，是利用涡旋波束的模态值l与微带天线单元的方位角确定，即其中j为虚数单位。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(1)中每个微带天线单元的位置矢量是利用微带天线单元方位角与扫描参数R_i(q)确定，即