CN113221340A - 一种oam环形天线阵列的电磁场快速分析方法及系统 - Google Patents

一种oam环形天线阵列的电磁场快速分析方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种OAM环形天线阵列的电磁场快速分析方法及系统，该方法是将OAM阵列分为若干小区域，每个区域仅包含所要计算的目标阵元以及与该阵元相临的其他阵元；计算或根据轴对称性映射得到所有阵元空间电磁场后进行相位加权，再根据叠加原理，将各个阵元以不同馈电相位相叠加得到不同模态OAM涡旋波。该方法在计算需要产生高阶模态OAM涡旋波的阵列天线的空间电磁场时可以有效节约计算时间，在保证精度的前提下，提高仿真速度。

Description

一种OAM环形天线阵列的电磁场快速分析方法及系统
技术领域
本发明涉及天线领域，具体涉及一种OAM环形天线阵列的电磁场快速分析方法及系统。
背景技术
随着无线通信的快速发展以及各种业务需求爆发性增长，频谱资源短缺的问题日益严重。除了空间复用，时间复用，频分复用等方法外，OAM模式复用作为一个新的维度可以有效缓解频带资源短缺的问题，有利于拓宽通信容量，提高通信速率。
产生OAM涡旋波的方式有螺旋相位板，超表面，单天线等，其中，环形圆阵列产生OAM涡旋波被广泛使用。均匀圆阵列(Uniform Circular Array，UCA)是OAM环形天线阵列最常使用的一种形式。
使用环形天线阵产生OAM涡旋波，OAM的模态阶数受到阵元个数的约束。一个环形圆阵列阵元数记为N，OAM模态阶数用l表示，模态数与阵元数的关系要满足：l<N/2。当要产生的OAM电磁波阶数越高时，阵元数目也要相应增加，阵列规模变大，所要求的硬件资源和计算时间也就越高。因此，降低OAM环形天线阵列电磁场计算成本具有研究意义和实际应用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种节约计算时间、加快仿真速度的OAM环形天线阵列的电磁场快速分析方法及系统。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种OAM环形天线阵列的电磁场快速分析方法，对OAM环形天线阵列进行分解成多个子区域，待计算的目标阵元包含在子区域中，仅对子区域中的阵元进行空间电磁场数值计算，计算完所有阵元后，根据电磁场的叠加原理，将各个阵元的计算结果进行相位加权后叠加得到整个OAM环形天线阵列的空间电磁场的数值解。
作为一种优选方式，每个子区域包含所要计算的一个目标阵元以及该阵元相临的其他阵元。
作为一种优选方式，各个子区域之间可以有重叠的部分。
作为一种优选方式，对各个子区域中对应的目标阵元进行全波仿真得到该阵元的空间电磁场，并且根据环形天线阵列的轴对称性，先计算轴一边的阵元电磁场，再根据对称性映射出轴另一边的阵元电磁场，从而得到所有阵元的空间电磁场。
作为一种优选方式，相位加权的具体方法为：
读取子区域中模型中心相对整个阵列模型中心的相对位移：x轴方向上位移为dx，y轴方向上位移为dy；
加权的相位因子表达式为：
Figure BDA0003042336410000021
式中，β为相位常数，θ，
Figure BDA0003042336410000022
为球坐标系下俯仰角和方位角。
本发明还提供一种OAM环形天线阵列的电磁场快速分析系统，包括：
区域划分模块，用于将OAM环形天线阵列进行分解成多个子区域，所要计算的目标阵元包含在子区域中；
空间电磁场数值计算模块，分区域计算目标阵元的空间电磁场，通过相位加权和叠加原理得到不同模态的OAM电磁波。
作为一种优选方式，每个子区域包含所要计算的一个目标阵元以及该阵元相临的其他阵元。
作为一种优选方式，各个子区域之间可以有重叠的部分。
作为一种优选方式，对各个子区域中对应的目标阵元进行全波仿真得到该阵元的空间电磁场，并且根据环形天线阵列的轴对称性，先计算轴一边的阵元电磁场，再根据对称性映射出轴另一边的阵元电磁场，从而得到所有阵元的空间电磁场。
作为一种优选方式，相位加权的具体方法为：
读取子区域中模型中心相对整个阵列模型中心的相对位移：x轴方向上位移为dx，y轴方向上位移为dy；
加权的相位因子表达式为：
Figure BDA0003042336410000023
式中，β为相位常数，θ，
Figure BDA0003042336410000024
为球坐标系下俯仰角和方位角。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：通过对阵列进行分区域求解相应阵元的空间电磁场继而根据叠加原理得到大阵列的空间电磁场，有效减少了大规模阵列的电磁场数值计算时间，明显提高仿真速度，该方法对于要用均匀圆阵列产生高阶模态的OAM涡旋波，降低计算成本有较强的实用性。
附图说明
图1是本发明的OAM环形天线阵列的电磁场快速分析方法流程图。
图2是本发明实施例中区域划分示意图。
图3是本发明实施例中的子区域阵元的S参数，与大阵列中阵元的S参数对比图。
图4是本发明实施例中的各模态OAM阵列方向图，与未用此方法直接计算的OAM阵列方向图对比结果。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供一种OAM环形天线阵列的电磁场快速分析方法，通过对OAM环形天线阵列进行分解成几个小区域，要计算的目标阵元包含在小区域里面，只对小区域里面的阵元进行空间电磁场数值计算，得到所有阵元结果后，根据电磁场的叠加原理，将各个阵元的空间电磁场进行相位加权后叠加得到整个OAM环形天线阵列的空间电磁场的数值解。该分析方法具体包括以下步骤：
S1、将OAM环形天线阵列分解成几个小区域，每个小区域只包含所要计算的一个目标阵元以及该阵元相临的其他阵元。
S2、对各个小区域中对应的目标阵元进行全波仿真得到该阵元的空间电磁场，并且根据环形天线阵列的轴对称性，只需要计算一部分的阵元空间电磁场即可，用计算得到的阵元电磁场，根据轴对称性映射得到与其对称的另一个阵元的电磁场，从而得到所有阵元的空间电磁场。
S3、计算并映射得到的所有阵元的电磁场经过相位加权后，根据叠加原理，各个阵元以不同的馈电相位相叠加产生不同模态的OAM涡旋波。
下面结合实施例和附图对本发明做进一步解释和补充。
如图2所示，具体实施例为一个OAM环形天线阵列，是由6个矩形贴片单元组成的关于y轴对称的均匀圆阵列。6个贴片阵元顺时针依次标记为阵元1，阵元2，…，阵元6。将环形圆阵列划分为3个子区域，标记为区域1，区域2和区域3。划分依据为：区域1包含要计算的目标阵元1，以及与阵元1相临的另外两个阵元2和6；区域2包含目标阵元2以及与其相临的阵元1和3；区域3包含目标阵元3以及与其相临的阵元2和4。
本实施例采用电磁仿真软件CST Studio Suite进行仿真计算以及验证对比，本发明也适用其他电磁仿真软件，用CST计算区域1中阵元1的空间电磁场，同理在区域2和3分别计算阵元2和3的空间电磁场。
如图2所示，阵元1和6，2和5，3和4分别关于y轴对称，因此阵元6的空间电磁场可由仿真计算得到的阵元1的电磁场映射得到，同理，阵元5，4分别由阵元2，3的空间电磁场映射得到。
进一步地，映射关系用阵元1和6说明，其他阵元具有相同的映射关系。记阵元1的空间矢量电场为
Figure BDA0003042336410000031
阵元6的矢量电场为
Figure BDA0003042336410000032
在笛卡尔坐标系下，矢量电场有3个分量：
Figure BDA0003042336410000033
实例中阵元1和6关于y轴对称，因此阵元6电场的x分量满足关系式：E6x(x，y，z)＝-E1x(-x，y，z)，另外两个分量满足：E6y＝E1y，E6z＝E1z。
各个小区域的模型中心相对于大阵列的模型中心都会产生偏移，反映到空间电磁场就是产生相位差，因此对仿真计算和映射得到的各阵元空间电磁场进行相位加权以补偿这种相位差。
进一步地，以阵元1为例进行说明，其他阵元以相同的方法进行相位加权。读取区域1中模型中心相对整个阵列模型中心的相对位移：x轴方向上位移为dx，y轴方向上位移为dy。加权的相位因子表达式为：
Figure BDA0003042336410000041
式中，β为相位常数，θ，
Figure BDA0003042336410000042
为球坐标系下俯仰角和方位角。
经过相位加权后的各阵元空间电磁场与在大阵列环境下直接仿真计算的阵元电磁场吻合，根据叠加原理，阵元以不同的馈电相位激励后叠加得到不同模态的OAM涡旋波。实例中，记相位加权后的阵元电磁场为P1，P2，…，P6。各阵元馈电相位相同时产生0模态OAM波，即
Figure BDA0003042336410000043
各阵元馈电相位差为60°时产生1模态OAM波，即
Figure BDA0003042336410000044
式中除以
Figure BDA0003042336410000045
是功率归一化处理。以此类推，各阵元馈电相位差为-60°，±120°还可以分别产生-1，±2模态的OAM波束。
本发明的基于模型分区域求解OAM环形天线阵列的实施例，相比于在大阵列环境下直接求解天线空间电磁场，仿真计算时间大大缩减。在CST仿真软件中，实例的6阵元环形天线阵直接求解时间为1610秒，相同硬件条件下，分区域求解总耗时为550秒，节约了65.84％的时间。即使使用软件自带的对称边界条件求解大阵列电磁场，此法依旧节约了31.68％的计算时间。该方法得到的阵元S参数与直接求解的阵元S参数对比结果如图3所示，该方法得到的各模态OAM波束的方向图与直接求解得到的方向图对比结果如图4所示。从图3和图4可见，该方法与直接求解的结果吻合良好，特别地，方向图在3dB波束宽度内吻合良好。

Claims (10)

1.一种OAM环形天线阵列的电磁场快速分析方法，其特征在于，对OAM环形天线阵列进行分解成多个子区域，待计算的目标阵元包含在子区域中，仅对子区域中的阵元进行空间电磁场数值计算，计算完所有阵元后，根据电磁场的叠加原理，将各个阵元的计算结果进行相位加权后叠加得到整个OAM环形天线阵列的空间电磁场的数值解。
2.根据权利要求1所述的OAM环形天线阵列的电磁场快速分析方法，其特征在于，每个子区域包含所要计算的一个目标阵元以及该阵元相临的其他阵元。
3.根据权利要求2所述的OAM环形天线阵列的电磁场快速分析方法，其特征在于，各个子区域之间可以有重叠的部分。
4.根据权利要求2所述的OAM环形天线阵列的电磁场快速分析方法，其特征在于，对各个子区域中对应的目标阵元进行全波仿真得到该阵元的空间电磁场，并且根据环形天线阵列的轴对称性，先计算轴一边的阵元电磁场，再根据对称性映射出轴另一边的阵元电磁场，从而得到所有阵元的空间电磁场。
5.根据权利要求4所述的OAM环形天线阵列的电磁场快速分析方法，其特征在于，相位加权的具体方法为：
读取子区域中模型中心相对整个阵列模型中心的相对位移：x轴方向上位移为dx，y轴方向上位移为dy；
加权的相位因子表达式为：
Figure FDA0003042336400000011
式中，β为相位常数，θ，
Figure FDA0003042336400000012
为球坐标系下俯仰角和方位角。
6.一种OAM环形天线阵列的电磁场快速分析系统，其特征在于，包括：
区域划分模块，用于将OAM环形天线阵列进行分解成多个子区域，所要计算的目标阵元包含在子区域中；
空间电磁场数值计算模块，分区域计算目标阵元的空间电磁场，通过相位加权和叠加原理得到不同模态的OAM电磁波。
7.根据权利要求6所述的OAM环形天线阵列的电磁场快速分析系统，其特征在于，每个子区域包含所要计算的一个目标阵元以及该阵元相临的其他阵元。
8.根据权利要求6所述的OAM环形天线阵列的电磁场快速分析系统，其特征在于，各个子区域之间可以有重叠的部分。
9.根据权利要求7所述的OAM环形天线阵列的电磁场快速分析系统，其特征在于，对各个子区域中对应的目标阵元进行全波仿真得到该阵元的空间电磁场，并且根据环形天线阵列的轴对称性，先计算轴一边的阵元电磁场，再根据对称性映射出轴另一边的阵元电磁场，从而得到所有阵元的空间电磁场。
10.根据权利要求9所述的OAM环形天线阵列的电磁场快速分析系统，其特征在于，相位加权的具体方法为：
读取子区域中模型中心相对整个阵列模型中心的相对位移：x轴方向上位移为dx，y轴方向上位移为dy；
加权的相位因子表达式为：
Figure FDA0003042336400000021
式中，β为相位常数，θ，
Figure FDA0003042336400000022
为球坐标系下俯仰角和方位角。
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