CN112038766B - 高增益八模态涡旋电磁波反射面天线的波束汇聚设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种高增益八模态涡旋电磁波反射面天线的波束汇聚设计方法，天线结构主要包括：反射面1、反射面支撑架2、±1和±2阶涡旋电磁波馈源3、±3和±4阶涡旋电磁波馈源4和双馈源连接支架5；反射面支撑架2在反射面1后端，通过螺钉6和反射面1固定，用于支撑反射面。±1和±2阶涡旋电磁波馈源3、±3和±4阶涡旋电磁波馈源4分别产生模态阶数为±1和±2、±3和±4的涡旋波束，连接支架5一端通过螺钉7和反射面1固定，另一端分别和两个馈源分别通过螺钉8，9固定连接，用于支撑两个馈源。本发明提出反射面的等效涡旋源分析方法和双馈源结构，实现了八模态涡旋波束的调控和汇聚，为远距离同时复用多模态涡旋电磁波通信提供了一种解决方案。

Description

高增益八模态涡旋电磁波反射面天线的波束汇聚设计方法

技术领域

本发明涉及一种天线设计，具体地，涉及一种高增益八模态涡旋电磁波反射面天线的波束汇聚设计方法。

背景技术

现有微波通信、雷达等信息传输与探测系统均是基于平面电磁波为传输载体，随着通信技术在码域、频域、时域和空域等方面的深度挖掘，逐渐接近理论的容量上限，以及频谱资源的日渐紧张，探索通信领域新维度，拓展现有的信道容量，提升信息的传输速率成为了未来通信发展的一个重点。

涡旋电磁波相较于平面电磁波，其等相位面以涡旋状传播，即各模态涡旋波束具有不同的相位分布特性，相当于携带了一种特殊的维度。利用多模态的相位维度可大大提升信道的通信容量。

涡旋电磁波天线是产生涡旋电磁波及实现其应用的基础。现有实现涡旋电磁波的产生方法有很多种，如基于涡旋相位板的天线、螺旋反射面、环形阵列天线等，但上述这些方法产生的涡旋电磁波模态数目都比较有限，且多模态的波束指向存在不同，很难适用于点对点多模态的通信应用。浙江大学提出基于环形开缝波导实现全向性涡旋电磁波波束，该方法可有效解决波束指向问题，由于其全向辐射，导致其天线的增益系数普遍比较低。(Fang L,Yao Y,Henderson R M.OAM antenna arrays at E-band[C].2017 IEEE MTT-SInternational Microwave Symposium(IMS).IEEE,2017:658-661)。本发明提出反射面的等效涡旋源分析方法和双馈源结构，实现了八模态涡旋波束的调控和汇聚，为远距离同时复用多模态涡旋电磁波通信提供了一种解决方案。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种高增益八模态涡旋电磁波反射面天线的波束汇聚设计方法。

根据本发明提供的一种高增益八模态涡旋电磁波反射面天线，如图3所示，所述天线架构包括：反射面、反射面支撑架、±1和±2阶涡旋电磁波馈源、±3和±4阶涡旋电磁波馈源和双馈源连接支架；反射面支撑架在反射面后端，通过螺钉和反射面固定，用于支撑反射面；

±1和±2阶涡旋电磁波馈源、±3和±4阶涡旋电磁波馈源分别产生模态阶数为±1和±2、±3和±4的涡旋波束，连接支架一端通过螺钉和反射面固定，另一端分别和两个馈源通过螺钉固定连接，用于支撑两个馈源。

根据本发明提供的一种高增益八模态涡旋电磁波反射面天线的波束汇聚设计方法，包括：

步骤S1：依据多模态涡旋电磁波的目标波束汇聚要求，利用等效涡旋源分析法获得反射面各模态的有效反射区域；

步骤S2：依此确定反射面尺寸和形状，并对馈源波束进行约定，从而实现各模态波束的调控与汇聚设计。

优选地，所述步骤S1：

若涡旋目标波束的指向要求为θ∈(θ_min，θ_max)，利用等效涡旋源分析法：a_l＝kR_lsinθ，其中k为电磁波空间波数，l为模态阶数，R_l为第l模态的等效辐射源半径，取值为l＝±1，±2，±3，±4，a_±1＝1.55，a_±2＝2.63，a_±3＝3.68，a_±4＝4.70，k＝2π/λ，λ表示工作波长；计算射面各模态的有效反射区域R_l∈(R_lmin，R_lmax)，依此确定反射面口径D＝2Max(R_l,l＝±1，±2，±3，±4)。

优选地，所述两个馈源的位置规定如下：

±3和±4阶涡旋电磁波馈源位于反射面的焦点处，±1和±2阶涡旋电磁波馈源位于反射面的轴线上且焦点外侧，与焦点距离Δf(Δf≥2λ)；

±3和±4阶馈源选择在反射面唯一焦点处放置，±1和±2阶馈源选择偏焦放置。

优选地，所述步骤S2：

由根据计算的各模态等效涡旋源分布和馈源位置，可以进一步地对各模态馈源的涡旋波束θ′_l给出约束，具体地θ′_l＝arctan[4fR_l/(4fΔf+4f²-R_l ²)]，其中f为反射面的焦距，Δf为±1和±2阶涡旋电磁波馈源与焦点的距离，根据反射面有效反射区域R_l∈(R_lmin，R_lmax)，对应可计算各模态所需馈源的涡旋波束θ′_l∈(θ′_lmin,θ′_lmax)。

优选地，反射面支撑架材料要求为非金属材质，并且其强度和韧性需要保证双馈源的空间位置误差小于0.05λ。

优选地，包括：

步骤S1：依据多模态涡旋电磁波的目标波束汇聚要求，利用等效涡旋源分析法获得各模态的反射面等效涡旋源分布；

步骤S2：依此确定反射面尺寸和形状，并对馈源波束进行约定，从而实现各模态波束的调控与汇聚设计。

优选地，所述步骤S1：

若涡旋目标波束的指向要求为θ∈(θ_min，θ_max)，利用等效涡旋源分析法：a_l＝kR_lsinθ，其中k为电磁波空间波数，l为模态阶数，R_l为第l模态的等效辐射源半径，取值为l＝±1，±2，±3，±4，a_±1＝1.55，a_±2＝2.63，a_±3＝3.68，a_±4＝4.70，k＝2π/λ，λ表示工作波长；计算反射面各模态的有效反射区域R_l∈(R_lmin，R_lmax)，依此确定反射面口径D＝2Max(R_l,l＝±1,±2,±3,±4)。

优选地，所述两个馈源的位置规定如下：

±3和±4阶涡旋电磁波馈源位于反射面的焦点处，±1和±2阶涡旋电磁波馈源位于反射面的轴线上且焦点外侧，与焦点距离Δf(Δf≥2λ)；

±3和±4阶馈源选择在反射面唯一焦点处放置，±1和±2阶馈源选择偏焦放置。

优选地，所述步骤S2：

由根据计算的反射面各模态的有效反射区域和馈源位置，可以进一步地对各模态馈源的涡旋波束θ′_l给出约束，具体地θ′_l＝arctan[4fR_l/(4fΔf+4f²-R_l ²)]，其中f为反射面的焦距，Δf为±1和±2阶涡旋电磁波馈源与焦点的距离，根据等效涡旋源分布R_l∈(R_lmin，R_lmax)，对应可计算各模态所需馈源的涡旋波束θ′_l∈(θ′_lmin,θ′_lmax)；

所述反射面支撑架材料要求为非金属材质，并且其强度和韧性需要保证双馈源的空间位置误差小于0.05λ。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明的主体为反射面天线，±1和±2阶馈源和±3和±4阶馈源；依据多模态涡旋电磁波的目标波束汇聚要求，利用等效涡旋源分析法获得各模态的反射面各模态的有效反射区域，依此确定反射面尺寸和形状，并对馈源波束进行约定，从而实现各模态波束的调控与汇聚设计。

2、本发明提出反射面的等效涡旋源分析方法和双馈源结构，实现了八模态涡旋波束的调控和汇聚，为远距离同时复用多模态涡旋电磁波通信提供了一种解决方案。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为±1和±2阶馈源波束方向图；

图2为±3和±4阶馈源波束方向图；

图3为一种高增益八模态涡旋电磁波反射面天线的波束方向图，可以看出八个模态涡旋电磁波的波束指向基本一致，各模态波束增益均在25.0～26.0dBi内，波束指向差异小于1°。

图4为本发明提供的高增益八模态涡旋电磁波反射面天线结构示意图。

图5为本发明提供的高增益八模态涡旋电磁波反射面天线的波束汇聚设计方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

下面通过优选例，对本发明进行更为具体地说明。

优选例1：

本发明提出了一种高增益八模态涡旋电磁波反射面天线的波束汇聚设计，如图3所示，天线结构主要包括：反射面1、反射面支撑架2、±1和±2阶涡旋电磁波馈源3、±3和±4阶涡旋电磁波馈源4和双馈源连接支架5；反射面支撑架2在反射面1后端，通过螺钉6和反射面1固定，用于支撑反射面。±1和±2阶涡旋电磁波馈源3、±3和±4阶涡旋电磁波馈源4分别产生模态阶数为±1和±2、±3和±4的涡旋波束，连接支架5一端通过螺钉7和反射面1固定，另一端分别和两个馈源分别通过螺钉8，9固定连接，用于支撑两个馈源。

如图5所示，具体设计流程包括：依据多模态涡旋电磁波的目标波束汇聚要求，利用等效涡旋源分析法获得反射面各模态的有效反射区域，依此确定反射面尺寸和形状，并对馈源波束进行约定，从而实现各模态波束的调控与汇聚设计。

上述技术方案中，若涡旋目标波束的指向要求为θ∈(θ_min，θ_max)，利用等效涡旋源分析法：a_l＝kR_lsinθ，其中l为模态阶数，取值为l＝±1，±2，±3，±4，a_±1＝1.55，a_±2＝2.63，a_±3＝3.68，a_±4＝4.70，k＝2π/λ(λ：工作波长)；可计算反射面各模态的有效反射区域R_l∈(R_lmin，R_lmax)，依此确定反射面口径D＝2Max(R_l,l＝±1,±2,±3,±4)。

上述技术方案中，±3和±4阶涡旋电磁波馈源位于反射面的焦点处，±1和±2阶涡旋电磁波馈源位于反射面的轴线上且焦点外侧，与焦点距离Δf(Δf≥2λ)。本发明特色之处在于±3和±4阶馈源选择在反射面唯一焦点处放置，±1和±2阶馈源选择偏焦放置。

上述技术方案中，由上述计算各模态等效涡旋源分布和馈源位置，可以进一步地对各模态馈源的涡旋波束θ′_l给出约束，具体地θ′_l＝arctan[4fR_l/(4fΔf+4f²-R_l ²)]，其中f为反射面的焦距，Δf为±1和±2阶涡旋电磁波馈源与焦点的距离，根据反射面各模态的有效反射区域R_l∈(R_lmin，R_lmax)，对应可计算各模态所需馈源的涡旋波束θ′_l∈(θ′_lmin,θ′_lmax)。

上述技术方案中，支撑结构件材料要求为非金属材质，并且强度和韧性需要保证双馈源不能产生空间位置上的误差小于0.05λ。

请参阅摘要附图，本发明所提供一种高增益八模态涡旋电磁波反射面天线的波束汇聚设计，主要包括：反射面、反射面支撑架、±1和±2阶涡旋电磁波馈源、±3和±4阶涡旋电磁波馈源和连接支架；反射面支撑架在反射面后端，用于支撑反射面。±1和±2阶涡旋电磁波馈源、±3和±4阶涡旋电磁波馈源分别产生±1和±2阶、±3和±4阶涡旋电磁波，连接支架用于支撑两个馈源。

下面给出具体实例的可取数值。

假设八个模态(l＝±1，±2，±3，±4，)目标波束的3dB波束范围均为θ∈(3°,4°)，工作频率为10.5GHz。根据等效涡旋源分析法，可计算反射面各模态的有效反射区域R_±1∈(101mm，134mm)，R_±2∈(171mm，229mm)，R_±3∈(240mm，320mm)，R_±4∈(306mm，408mm)；则反射面口径D选为816mm，反射面的焦距选择为384mm；±3和±4阶涡旋电磁波馈源放置在反射面焦点上，±1和±2阶涡旋电磁波馈源位于反射面的轴线上且焦点外侧，与焦点距离Δf，经过优化选定，Δf≈70mm；

由反射面各模态的有效反射区域和馈源位置，可以进一步地对各模态馈源的涡旋波束进行约束：θ′₁∈(12.8°，16.9°)，θ′₂∈(21.5°，28.6°)，θ′₃∈(34.8°，45.3°)，θ′₄∈(43.5°，56.0°)。图1为据此设计的±1和±2阶馈源涡旋波束方向图，图2为±3和±4阶馈源涡旋波束方向图。

图3所示是本实施例的八模态涡旋波束方向图，可以看出，在波束角度在3.2°～4.2°范围内，八个模态(l＝±1，±2，±3，±4)的最大波束指向误差在1°以内，且各模态增益均大于25dBi，实现了波束调控和汇聚设计。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (5)

1.一种高增益八模态涡旋电磁波反射面天线的波束汇聚设计方法，天线架构包括：反射面、反射面支撑架、±1和±2阶涡旋电磁波馈源、±3和±4阶涡旋电磁波馈源和双馈源连接支架；反射面支撑架在反射面后端，通过螺钉和反射面固定，用于支撑反射面；

±1和±2阶涡旋电磁波馈源、±3和±4阶涡旋电磁波馈源分别产生模态阶数为±1和±2、±3和±4的涡旋波束，连接支架一端通过螺钉和反射面固定，另一端分别和两个馈源通过螺钉固定连接，用于支撑两个馈源；

其特征在于，所述波束汇聚设计方法包括：

步骤S1：依据多模态涡旋电磁波的目标波束汇聚要求，利用等效涡旋源分析法获得反射面各模态的有效反射区域；

步骤S2：依此确定反射面尺寸和形状，并对馈源波束进行约定，从而实现各模态波束的调控与汇聚设计；

所述步骤S1：

若涡旋目标波束的指向要求为θ∈(θ_min，θ_max)，利用等效涡旋源分析法：a_l＝kR_lsinθ，其中θ为反射面天线正法向与其波束指向的夹角，a_l为二阶贝塞尔函数的特征值，k为电磁波空间波数，l为模态阶数，R_l为第l模态的等效辐射源半径，取值为l＝±1，±2，±3，±4，a_±1＝1.55，a_±2＝2.63，a_±3＝3.68，a_±4＝4.70，k＝2π/λ，λ表示工作波长；计算反射面各模态的有效反射区域R_l∈(R_lmin，R_lmax)，R_lmin表示R_l的最小值，R_lmax表示R_l的最大值，依此确定反射面口径D＝2Max(R_l,l＝±1，±2，±3，±4)。

2.根据权利要求1所述的一种高增益八模态涡旋电磁波反射面天线的波束汇聚设计方法，其特征在于，所述两个馈源的位置规定如下：

±3和±4阶涡旋电磁波馈源位于反射面的焦点处，±1和±2阶涡旋电磁波馈源位于反射面的轴线上且焦点外侧，与焦点距离Δf(Δf≥2λ)；

±3和±4阶馈源选择在反射面唯一焦点处放置，±1和±2阶馈源选择偏焦放置。

3.根据权利要求1所述的一种高增益八模态涡旋电磁波反射面天线的波束汇聚设计方法，其特征在于，所述步骤S2：

由根据计算的反射面有效反射区域和馈源位置，可以进一步地对各模态馈源的涡旋波束θ′_l给出约束，其中θ′_l为馈源天线的正法向与其波束指向的夹角，具体地θ′_l＝arctan[4fR_l/(4fΔf+4f²-R_l ²)]，f为反射面的焦距，Δf为±1和±2阶涡旋电磁波馈源与焦点的距离，根据反射面各模态的有效反射区域R_l∈(R_lmin，R_lmax)，对应可计算各模态所需馈源的涡旋波束θ′_l∈(θ′_lmin,θ′_lmax)，其中θ′_lmin表示馈源天线的正法向与其波束指向的夹角的最小值，θ′_lmax表示馈源天线的正法向与其波束指向的夹角的最大值。

4.根据权利要求1所述的一种高增益八模态涡旋电磁波反射面天线的波束汇聚设计方法，其特征在于，反射面支撑架材料要求为非金属材质，并且其强度和韧性需要确保双馈源的空间位置误差小于0.05λ，λ为工作波长。

5.根据权利要求1所述的一种高增益八模态涡旋电磁波反射面天线的波束汇聚设计方法，其特征在于，所述步骤S2：

由根据计算的各模态等效涡旋源分布和馈源位置，可以进一步地对各模态馈源的涡旋波束θ′_l给出约束，其中θ′_l为馈源天线的正法向与其波束指向的夹角，具体地θ′_l＝arctan[4fR_l/(4fΔf+4f²-R_l ²)]，其中f为反射面的焦距，Δf为±1和±2阶涡旋电磁波馈源与焦点的距离，根据等效涡旋源分布R_l∈(R_lmin，R_lmax)，对应可计算各模态所需馈源的涡旋波束θ′_l∈(θ′_lmin,θ′_lmax)，其中θ′_lmin表示馈源天线的正法向与其波束指向的夹角的最小值，θ′_lmax表示馈源天线的正法向与其波束指向的夹角的最大值；

所述反射面支撑架材料要求为非金属材质，并且其强度和韧性需要保证双馈源的空间位置误差小于0.05λ。

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