CN111276805A - 一种基于部分圆环行波天线理论产生结构电磁波束方法 - Google Patents

一种基于部分圆环行波天线理论产生结构电磁波束方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于部分圆环行波天线理论产生结构电磁波束的方法，该方法将天线弯曲成半径为a的圆弧形，对圆弧形天线进行馈电，使得所述圆弧形天线上的电流分布满足
Figure DDA0002382386250000011
产生结构电磁波束。所述OAM模态l为正数时，方位角
Figure DDA0002382386250000012
的指向为
Figure DDA0002382386250000013
所述OAM模态l为负数时，方位角
Figure DDA0002382386250000014
的指向为
Figure DDA0002382386250000015
所述圆弧形天线的半径a与圆环行波天线产生单一模态的OAM波束所要求的半径大小相等。本发明产生结构电磁波束具有定向增益特性、涡旋性和准正交特性。将其应用于无线通信中，定向增益特性，可以提高通信系统的信噪比，改善系统性能，涡旋性增加了空间中场的多样性，准正交特性为复用提供了新的维度。

Description

一种基于部分圆环行波天线理论产生结构电磁波束方法
技术领域
本发明涉及结构电磁波的产生领域，尤其涉及一种基于部分圆环行波天线理论产生主瓣范围内具有相位线性度的定向波束的方法。
背景技术
随着互联网的快速发展以及智能终端的普及，尤其是自动驾驶、智能家居的新兴，人们对无线通信系统大容量高速率的需求日益增加。目前，基于电磁波频率、极化、幅度、相位等维度提高通信容量的技术已经得到充分的开发与利用，电磁波轨道角动量(OrbitalAngular Momentum，OAM)作为一个新的物理维度应运而生，有望缓解有限的频谱资源与日益增长的社会需求之间的矛盾。OAM是电磁波的基本属性，表征电磁波的空间结构。OAM波束的基本特征是场分量携带相位项
Figure BDA0002382386230000011
对于任意频率的电磁波，数目无限的OAM模式在空间中构成相互正交的本征模式，作为可供调控的新的维度资源。
近年来，关于电磁波OAM展开了很多方面的研究，射频域OAM波束存在的三个固有问题限制了射频OAM波束在实际中的应用，一是波束中心存在相位奇点，即中心能量强度为零，二是波束发散，随着传播距离的增加，天线接收口径越来越大，三是不同模态波束的发散角不一致，给不同模态的复用造成困难。因此，如何有效解决或者规避这三个问题成为OAM实际应用中的关键，对未来基于射频OAM波束的高速无线通信具有非常重要的意义。
发明内容
本发明针对射频OAM波束实际应用中存在的三个问题，提出一种基于部分圆环行波天线理论产生结构电磁波束方法，其目的在于产生主瓣范围内具有相位线性度的高增益定向波束，该波束可以等同于不同模态的OAM波束叠加而成的，因此称之为“结构电磁波”。
本发明解决技术问题所采取技术方案为：一种基于部分圆环行波天线理论产生结构电磁波束方法，将天线弯曲成半径为a的圆弧形，对圆弧形天线进行馈电，使得所述圆弧形天线上的电流分布满足
Figure BDA0002382386230000012
产生结构电磁波束。
其中，l为整数，代表OAM模态，
Figure BDA0002382386230000013
为方位角，I0为馈入天线的初始电流强度，j为虚数单位。
所述OAM模态l为正数时，方位角
Figure BDA0002382386230000014
的指向为
Figure BDA0002382386230000015
所述OAM模态l为负数时，方位角
Figure BDA0002382386230000016
的指向为
Figure BDA0002382386230000017
所述圆弧形天线的半径a与圆环行波天线产生单一模态的OAM波束所要求的半径大小相等。
进一步地，所述圆弧形天线可以为单根天线或由若干个天线阵元排布成圆弧阵列组成。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：所述圆弧形天线可以为弯成一段圆弧的单根天线，或者将若干根天线阵元排布成圆弧形状的阵列天线，并使得电流分布沿着圆弧满足
Figure BDA0002382386230000021
所述圆弧天线产生的结构电磁波束继承了OAM波束的涡旋特性，即波束主瓣范围内依然满足
Figure BDA0002382386230000022
的空间相位分布。此外，所述的结构电磁波的幅度不再像“甜甜圈”一样均匀地分布在方位角上，而是具有定向增益特性，大部分能量集中于主瓣范围。这表明，所述的结构电磁波具有准正交特性，同时避免了射频域OAM波束中心黑洞和发散性问题，并且通过调节天线半径和天线中心所在的位置，可以控制所述结构电磁波的三维指向。所述结构电磁波束可以用于无线通信，其定向增益特性，可以提高通信系统的信噪比，改善系统性能，涡旋性增加了空间中场的多样性，准正交特性为复用提供了新的维度。此外，在同一个半径上可以放置多个部分圆环行波天线，同时发射多个结构电磁波束。
附图说明
图1是部分圆环行波天线理论模型；
图2是部分圆环行波天线数值等效模型；
图3是部分圆环行波天线波束指向示意图；
图4是部分圆环行波天线产生的空间波束的数值仿真结果；
图5是部分圆环行波天线产生波束的辐射方向图；
图6是部分圆环行波天线产生波束的幅度和相位分布图；
图7是部分圆环行波天线产生波束的模态分布。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详述：
图1给出了部分圆环行波天线的几何模型，其工作原理如下：一根天线弯曲成一根半径为a的圆弧，对天线进行馈电使得圆弧上的电流分布满足
Figure BDA0002382386230000023
其中l是整数，代表OAM模态，
Figure BDA0002382386230000024
是方位角，I0是馈入天线的初始电流强度，在理想情况下，电流强度I0沿环恒定。这种部分圆环行波天线可以产生主瓣范围内具有相位线性度的高增益定向波束，波束方位角指向与该天线所在圆弧的中点有关，俯仰角指向与该天线所在圆弧的半径a有关。所述圆弧形天线的半径a与圆环行波天线产生单一模态的OAM波束所要求的半径大小相等。
图2是放置于xoy平面上的部分圆环行波天线的等效数值模型，其主要思想是将连续的圆弧看成由2N-1个周向偶极子单元沿圆周组成的阵列，当N趋于无穷大时，该切向阵列即可等效为连续的部分圆环天线。由图2可知，第N个切向偶极子所在的位置为该部分圆环天线的中点，其矢量方向为
Figure BDA0002382386230000031
第n(0<n<N，n为整数)个偶极子与第2N-n个偶极子矢量相加的方向与第N个偶极子的矢量方向相同，因此，除第N个偶极子外的所有偶极子两两对应矢量叠加，可以得到该部分圆环行波天线产生的波束方位角指向与该天线中点位置的切线平行。更具体地说，如图2所示模型产生波束的方位角指向与
Figure BDA0002382386230000032
平行，当OAM模态l为正时，方位角指向为
Figure BDA0002382386230000033
当OAM模态l为负时，方位角指向为
Figure BDA0002382386230000034
图3是部分圆环行波天线波束指向三维示意图，部分圆环行波天线位于圆弧
Figure BDA0002382386230000035
上，
Figure BDA0002382386230000036
为该圆弧的圆心角，m为该圆弧的中点，
Figure BDA0002382386230000037
为圆弧
Figure BDA0002382386230000038
的圆心角，则
Figure BDA0002382386230000039
Figure BDA00023823862300000310
和
Figure BDA00023823862300000311
分别为m点的径向波矢和周向波矢，
Figure BDA00023823862300000312
为弧
Figure BDA00023823862300000313
所在的部分圆环行波天线产生的结构电磁波束的主瓣方向的周向指向，如图3
Figure BDA00023823862300000314
为x轴正方向与矢量
Figure BDA00023823862300000315
之间的夹角，
Figure BDA00023823862300000316
为波束主瓣方向的波矢
Figure BDA00023823862300000317
在xoy平面上的投影。同样地，波束的周向指向为
Figure BDA00023823862300000318
或
Figure BDA00023823862300000319
即
Figure BDA00023823862300000320
部分圆环阵列也是产生结构电磁波束的一种方法，它是由若干个天线阵元排布成部分圆环形状，阵元摆布方向一致，可以是Z向、径向、周向、X向、Y向等等，只要保证这些阵元沿着周向的电流分布满足
Figure BDA00023823862300000321
由于部分圆环阵列是离散元，更具体地说，假设半径为a圆心角为β的部分圆弧阵列由N个摆布方向一致的天线阵元构成，那么第n个阵元的馈电幅相为
Figure BDA00023823862300000322
即电流恒定为I0，相位随着阵元所在的周向位置变化，为
Figure BDA00023823862300000323
实施例
本实施例中选择频率f＝10GHz，半径a＝17.26cm的90°圆弧行波天线，馈入电流分布满足
Figure BDA00023823862300000324
即I0＝1，l＝30。通过数值仿真结果对部分圆环行波天线产生的波束性质做更详细的分析。如图4所示，是上述条件下产生波束的三维仿真结果，可以清晰地看出，该波束是一个高增益定向波束，避免了波束中心的能量零点和因波束发散性引起的接收端口径过大的问题。图5展示了该波束极坐标下的周向辐射方向图，所切平面为波束能量最大值所在的平面θ＝60°。图6给出了θ＝60°平面上该波束周向幅度和相位分布，可以看出该波束在主瓣范围内完好地继承了轨道角动量波束的涡旋特性，具有线性的空间相位分布，且斜率为30。图7给出了该波束的OAM模态分布，可以看出，该波束的中心模态即为馈电的期望模态30，主要模态分量向两边对称扩散分布，利用图7所示的28、29、30、31、32五个模态的OAM波束并以对应的功率进行叠加，则可以得到图4所示的结构电磁波束。

Claims (2)

1.一种基于部分圆环行波天线理论产生结构电磁波束方法，其特征在于，将天线弯曲成半径为a的圆弧形，对圆弧形天线进行馈电，使得所述圆弧形天线上的电流分布满足
Figure FDA0002382386220000011
产生结构电磁波束。
其中，l为整数，代表OAM模态，
Figure FDA0002382386220000017
为方位角，I0为馈入天线的初始电流强度，j为虚数单位。
所述OAM模态l为正数时，方位角
Figure FDA0002382386220000013
的指向为
Figure FDA0002382386220000014
所述OAM模态l为负数时，方位角
Figure FDA0002382386220000015
的指向为
Figure FDA0002382386220000016
所述圆弧形天线的半径a与圆环行波天线产生单一模态的OAM波束所要求的半径大小相等。
2.根据权利要求1所述产生结构电磁波束方法，其特征在于，所述圆弧形天线可以为单根天线或由若干个天线阵元排布成圆弧阵列组成。
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