CN113111493A - N臂阿基米德螺旋天线宽带多oam涡旋电磁波生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于N臂阿基米德螺旋天线的宽带多OAM涡旋电磁波生成方法，先在电磁仿真软件的时域求解器中建立N臂阿基米德螺旋天线模型，再选取天线模型各部件的具体材质，然后对N个馈电波端口输入相同功率P不同相位分布A_m的正弦激励信号，计算出所有相位分布下对应天线OAM模式l(A_m)的主辐射环区域的等效平均半径r(A_m)的取值范围，最后在天线模型中建立频域远场监控器，通过对N臂阿基米德螺旋天线模型进行仿真，实时检测仿真过程中不同频率处的天线远场强度和相位分布，实现宽带范围内多OAM的产生。

Description

N臂阿基米德螺旋天线宽带多OAM涡旋电磁波生成方法

技术领域

本发明属于射频天线技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于N臂阿基米德螺旋天线的宽带多OAM涡旋电磁波生成方法。

背景技术

人类对轨道角动量的探索是从光学领域开始的。1909年，Poynting从理论上预测了电磁场自旋角动量的力学效应，Beth在1936年进行了实验验证。直到1992年，由Allen L等人发布于《Physical Review A Atomic Molecular》45期11刊上的“Orbital angularmomentum of light and transformationof Laguerre Gaussian Laser modes”一文中指出，拉盖尔-高斯振幅分布的激光中具有清晰的轨道角动量，确定了轨道角动量OAM(Orbital Angular Momentum)具有螺旋相位因子的特性e^-jlφ，l是OAM的拓扑核数，φ是方向角，关于轨道角动量的深入研究至此开始。理论上OAM模式数目是无限的，且不同OAM模式之间相互正交并在空间独立传播，张成无穷维的希尔伯特空间，有望被用于扩大通信系统的容量和提高成像领域的成像分辨率。涡旋电磁波的产生是其应用的前提，天线作为无线电波发射和接收的设备，天线的带宽和OAM模式直接决定成像系统径向和方位向的分辨率、通信系统的通信容量，因此，使用天线产生宽带多OAM涡旋电磁波的研究是至关重要的。

自从20世纪90年代Turnbull等人利基于螺旋相位板天线首次在毫米波频段产生涡旋电磁波以来，大量研究学者们也相继提出各种方法来产生射频波段的涡旋电磁波，总体分为4大类不同形式涡旋电磁波生成天线。单一微带贴片天线结构简单、易于实现且制作成本低，但天线的带宽和OAM模式的数目受限。阵列天线具有设计原理简单、结构灵活且可以多OAM模式的特点，但其结构庞大，造价昂贵。超表面天线剖面低、易于波束聚焦，但单元数量多、辐射效率低。行波天线总体分为两大类：一类是谐振腔式行波天线，通过正交馈电方式来产生携带OAM模式的涡旋电磁波仅，但是OAM模式的数目仅1组，且天线的工作带宽为窄带范围；另一类为螺旋形行波天线，具有非频变和易嵌套的特点，有望被用来在宽带范围内，实现携带多OAM模式涡旋电磁波的产生，但是基于N臂阿基米德平面螺旋天线生成宽带多OAM涡旋电磁波的原理尚未完全清晰。因此，提出基于N臂阿基米德螺旋天线的圆极化宽带多OAM涡旋电磁波生成方法，确定馈电网络、天线结构尺寸、OAM模式数、天线带宽之间的关系，这对于OAM在无线通信、目标探测识别和高分辨率成像的应用具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于N臂阿基米德螺旋天线的宽带多OAM涡旋电磁波生成方法，利用N臂阿基米德平面螺旋天线非频变的特点，以及圆形行波天线的辐射机理，用于产生宽带多OAM涡旋电磁波。

为实现上述发明目的，本发明一种基于N臂阿基米德螺旋天线的宽带多OAM涡旋电磁波生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、在电磁仿真软件的时域求解器中建立N臂阿基米德螺旋天线模型，包括一个圆形介质基板和一个金属反射板，以及刻在圆形介质基板背面的金属接地环与刻在圆形介质基板正面的N条金属螺旋线；

其中，N条金属螺旋线均匀绕制且线宽固定不变，金属螺旋线顺时针或逆时针旋转，在N条金属螺旋线的起点或终点位置处建立N条馈电同轴，用于设置馈电波端口；金属接地环与馈电波端口处于同一半径，用于实现阻抗匹配；金属反射板与介质基板同样大小，用于提高天线的增益；

(2)、选取厚度为h和相对介电常数为ε_r的介质基板，选取宽度为w的金属螺旋线，然后根据金属微带线等效介电常数计算公式计算出等效介电常数ε_eff；

(3)、在N个馈电同轴上逆时针方向或顺时针方向设置N个馈电波端口；

(4)、对N个馈电波端口输入相同功率P不同相位分布A_m的正弦激励信号；

其中，N为螺旋臂的臂数，m为非负整数，表示相位分布的编号，取值范围为1、2、…、N-1、N；

(5)、计算A_m相位分布激励下，天线所产生的涡旋电磁波OAM模式的理论值l(A_m)；

l(A_m)＝±(4n+m-1)

其中，n为非负整数，表示天线的工作模式，取值范围为0、1、2、…，n＝0时表示天线工作在基膜；

(6)、

选取天线OAM模式的理论值l(A_m)的最低工作频率f_min(A_m)，进而计算最高工作频率f_max(A_m)；

(7)、计算天线OAM模式的理论值l(A_m)的等效工作波长λ_g；

其中，c为自由空间的光速，f为天线OAM模式下的工作频率，其取值范围为[f_min(A_m),f_max(A_m)]；

因此，得到等效工作波长λ_g的取值范围为[λ_min,λ_max]；

(8)、计算天线OAM模式l(A_m)的主辐射环区域的等效平均半径r(A_m)的取值范围；

其中，C(A_m)为主辐射环区域的等效平均周长；

(9)、改变m的取值，重复(4)-(8)步骤，计算所有相位分布下，对应天线OAM模式l(A_m)的主辐射环区域的等效平均半径r(A_m)的取值范围；

(10)、选取金属螺旋线的内外半径分别为r₀和r₁，r₀、r₁的取值大于r(A_m)的取值范围；

天线必须具有主辐射环区域才有有效辐射涡旋电磁波，且天线的主辐射区域为环状，具有一定的宽度，因此内外半径的取值应一定程度大于r(A_m)的取值范围；

(11)、在天线模型中建立频域远场监控器，用于检测仿真过程中不同频率处的天线远场强度和相位分布；

(12)、对建立的N臂阿基米德螺旋天线模型进行仿真，得到天线的反射系数S₁₁以及远场分布强度、相位分布，实现宽带范围内多OAM的产生。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明基于N臂阿基米德螺旋天线的宽带多OAM涡旋电磁波生成方法，先在电磁仿真软件的时域求解器中建立N臂阿基米德螺旋天线模型，再选取天线模型各部件的具体材质，然后对N个馈电波端口输入相同功率P不同相位分布A_m的正弦激励信号，计算出所有相位分布下对应天线OAM模式l(A_m)的主辐射环区域的等效平均半径r(A_m)的取值范围，最后在天线模型中建立频域远场监控器，通过对N臂阿基米德螺旋天线模型进行仿真，实时检测仿真过程中不同频率处的天线远场强度和相位分布，实现宽带范围内多OAM的产生。

同时，本发明基于N臂阿基米德螺旋天线的宽带多OAM涡旋电磁波生成方法还具有以下有益效果：

(1)、N臂阿基米德螺旋天线设计方法可以在宽带范围内生成多个OAM模式的涡旋电磁波；

(2)、N臂阿基米德螺旋天线与其它微带涡旋电磁波天线相比，具有更高的增益、更多的OAM模式和更宽的带宽，克服现有微带涡旋电磁波天线带宽、OAM模式数和增益无线兼容的问题，拓展涡旋电磁波的应用范围。

(3)、N臂阿基米德螺旋天线与N阵元阵列天线相比，具有双倍的OAM模式、足够的带宽和更小的结构，以及造价低廉的特点，可以克服现有阵列天线体积庞大、应用场景受限、造价昂贵等缺陷，为涡旋电磁波在无线通信、高分辨成像应用中奠定基础。

附图说明

图1是四臂阿基米德螺旋天线结构示意图；

图2是四臂阿基米德螺旋天线反射系数和传输系数测试场景示意图；

图3是四臂阿基米德螺旋天线四个波端口的反射系数；

图4是四臂阿基米德螺旋天线的在0.6-4.6GHz频率范围内携带不同OAM模式涡旋电电磁波的远场强度分布的仿真和实测结果，左旋圆极化OAM模式l＝0；OAM模式l＝1、l＝2和l＝3。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明基于N臂阿基米德螺旋天线的宽带多OAM涡旋电磁波生成方法一种具体实施方式架构图。

在本实施例中，如图1所示，本发明一种基于N臂阿基米德螺旋天线的宽带多OAM涡旋电磁波生成方法，包括以下步骤：

S1、在电磁仿真软件的时域求解器中建立N臂阿基米德螺旋天线模型，包括一个圆形介质基板和一个金属反射板，以及刻在圆形介质基板背面的金属接地环与刻在圆形介质基板正面的N条金属螺旋线；

其中，N条金属螺旋线均匀绕制且线宽固定不变，金属螺旋线顺时针或逆时针旋转，在N条金属螺旋线的起点或终点位置处建立N条馈电同轴，用于设置馈电波端口；金属接地环与馈电波端口处于同一半径，用于实现阻抗匹配；金属反射板与介质基板同样大小，用于提高天线的增益；

在本实施例中，建立四臂阿基米德螺旋天线模型，天线结构示意图如图1所示，主要包含五个部分：第一部分为一个介质基板；第二部分为四条逆时针旋转的阿基米德螺金属螺旋线，刻在基板的正面；第三部分是刻在基板背面的金属接地环；第四部分是四根同轴馈电网络；最后一部分是一个金属反射板。

S2、选取介质基板的厚度h和相对介电常数ε_r分别为0.762mm和3.48，选取金属螺旋线的宽度w为2mm，根据金属微带线等效介电常数计算公式，计算出等效介电常数ε_eff为2.765；

S3、在4个馈电同轴上逆时针方向或顺时针方向设置4个馈电波端口；

S4、对4个馈电波端口输入相同功率P不同相位分布A_m的正弦激励信号,4臂阿基米德螺旋天线存在以下四种馈电相位分布：

S5、当天线工作在基膜时，可以产生携带OAM模式0、1、2、3的涡旋电磁波；

S6、选取天线OAM模式0的最低工作频率为0.6GHz，计算最高工作频率理论值为3GHz；

S7、天线的OAM模式0等效工作波长λ_g的理论取值范围为60.14～300.69mm；

S8、天线的OAM模式0主辐射环区域的等效平均半径理论范围为9.58～47.88mm；

S9、同理，OAM模式1、2和3的工作频率范围分别为：1.2～3.6GHz、1.8～4.2GHz和2.4～4.8GHz，对应的主辐射环区域的等效平均半径理论范围分别为15.97～47.88mm、20.53～47.88mm和23.95～47.88mm；

S10、考虑理论值与仿真的误差，以及主辐射区域的宽度，选取金属螺旋线的内外半径分别为4mm和69mm；

S11、在天线模型中建立频域远场监控器，监控器的频率范围为0.6～4.8GHz，间隔为0.1GHz；

S12、对建立的N臂阿基米德螺旋天线模型进行仿真，就可以得到天线的反射系数S₁₁以及远场分布强度、相位分布，实现宽带范围内多OAM的产生；

加工天线原型进行测试，测试场景图如图2所示。用矢量网络分析仪(VNA,Rohde&Schwarz,ZVA 40)测量了四个波口的反射系数，额外使用了一个功率分配器和一个移相器来测量天线的近场分布。

四臂阿基米德螺旋天线四个波端口的反射系数的仿真结果和实验结果如图3所示，其中，图3中的(a)是仿真结果；图3中的(b)是实验结果；在1G～6GHz频率范围内，四个波端口的反射系数曲线基本一致，均低于-10dB，且仿真和实测结果吻合较好。

四臂阿基米德螺旋天线的在0.6-4.5GHz频率范围内携带不同OAM模式涡旋电电磁波的远场强度分布的仿真和实测结果如图4所示。从图中可以看出，生成的涡旋电磁波携带左旋圆极化OAM模式l＝0、1、2和3的频带范围分别为0.6～3GHz、1.3～3.8GHz、2.3～4.1GHz、2.6～4.5GHz，相对带宽分别是500％、292％、178％和173％，详细内容如表1所示

表1是生成的OAM模式及其相对带宽对照表；

表1

表2是N臂阿基米德螺旋天线与N阵元圆形阵列天线性能对比表；

表2

N臂阿基米德螺旋天线与N阵元圆形阵列天线之间的性能如表2所示，N臂阿基米德平面螺旋天线具有双倍的OAM模式、足够的带宽和更小的结构。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种基于N臂阿基米德螺旋天线的宽带多OAM涡旋电磁波生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、在电磁仿真软件的时域求解器中建立N臂阿基米德螺旋天线模型，包括一个圆形介质基板和一个金属反射板，以及刻在圆形介质基板背面的金属接地环与刻在圆形介质基板正面的N条金属螺旋线；

其中，N条金属螺旋线均匀绕制且线宽固定不变，金属螺旋线顺时针或逆时针旋转，在N条金属螺旋线的起点或终点位置处建立N条馈电同轴，用于设置馈电波端口；金属接地环与馈电波端口处于同一半径，用于实现阻抗匹配；金属反射板与介质基板同样大小，用于提高天线的增益；

(2)、选取厚度为h和相对介电常数为ε_r的介质基板，选取宽度为w的金属螺旋线，然后根据金属微带线等效介电常数计算公式计算出等效介电常数ε_eff；

(3)、在N个馈电同轴上逆时针方向或顺时针方向设置N个馈电波端口；

(4)、对N个馈电波端口输入相同功率P不同相位分布A_m的正弦激励信号；

其中，N为螺旋臂的臂数，m为非负整数，表示相位分布的编号，取值范围为1、2、…、N-1、N；

(5)、计算A_m相位分布激励下，天线所产生的涡旋电磁波OAM模式的理论值l(A_m)；

l(A_m)＝±(4n+m-1)

其中，n为非负整数，表示天线的工作模式，取值范围为0、1、2、…，n＝0时表示天线工作在基膜；

(6)、选取天天线OAM模式的理论值l(A_m)的最低工作频率f_min(A_m)，进而计算最高工作频率f_max(A_m)；

(7)、计算天线OAM模式的理论值l(A_m)的等效工作波长λ_g；

其中，c为自由空间的光速，f为天线OAM模式下的工作频率，其取值范围为[f_min(A_m),f_max(A_m)]；

因此，得到等效工作波长λ_g的取值范围为[λ_min,λ_max]；

(8)、计算天线OAM模式l(A_m)的主辐射环区域的等效平均半径r(A_m)的取值范围；

其中，C(A_m)为主辐射环区域的等效平均周长；

(9)、改变取值，重复(4)-(8)步骤，计算所有相位分布下，对应天线OAM模式l(A_m)的主辐射环区域的等效平均半径r(A_m)的取值范围；

(10)、选取金属螺旋线的内外半径分别为r₀和r₁，r₀、r₁的取值大于r(A_m)的取值范围；

(11)、在天线模型中建立频域远场监控器，用于检测仿真过程中不同频率处的天线远场强度和相位分布；

(12)、对建立的N臂阿基米德螺旋天线模型进行仿真，得到天线的反射系数S₁₁以及远场分布强度、相位分布，实现宽带范围内多OAM的产生。

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