CN113991327B - 一种提高涡旋波模式纯度的天线阵列 - Google Patents

一种提高涡旋波模式纯度的天线阵列 Download PDF

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Abstract

一种提高涡旋波模式纯度的天线阵列，属于天线技术领域，解决现有基于天线阵列的涡旋波模式不纯的问题。本发明包括X向排列和Y向排列的天线阵列，所述两种排列的天线阵列为均匀排列的圆形天线阵列，X向排列和Y向排列的天线阵列具有相同阵列中心和阵列半径，组成两种天线阵列的天线单元为同一种天线，两个天线阵列的天线单元数目为N，N≥4。本发明采用两个天线阵列结合的方法来共同产生多个不同拓扑荷的涡旋电波，该天线阵列原理易懂、结构简单、维护方便，有利于提升基于天线阵列产生的涡旋波的模式纯度，提升涡旋波的应用潜能。

Description

一种提高涡旋波模式纯度的天线阵列
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种提高涡旋波模式纯度的天线阵列的排列与馈电方法。
背景技术
随着无线通信技术的发展，用户对于数据的传输速度要求越来越高，因此通信信号对信道的容量需求不断提高，然而频带资源是有限的。在此问题的背景下，由于轨道角动量具有不同模式之间互相正交的特性，所以轨道角动量在提高频带容量的问题上具有重大优势。轨道角动量属于电磁波的基本物理特性，它和自旋角动量共同构成电磁波的角动量。自旋角动量描述电磁波的内禀特性，反映出电磁波的极化特性：左旋圆极化波和右旋圆极化波。轨道角动量描述电磁波的外禀特性，反映电磁波在不同空间位置处的波形特性。轨道角动量具有无穷多个拓扑荷，也称模式数，这些携带不同模式轨道角动量的涡旋波之间都是互相正交的，该特性可以用于提升通信容量，并且，理论上可以无限提升。
通过上述轨道角动量的说明可以看出，不同模式的涡旋波互相正交，这就对涡旋波的模式纯度提出了严峻挑战。所以，很多学者针对涡旋波的模式纯度展开了研究，Z.Akram等人使用反射超表面产生OAM波，其产生的模式4的OAM波纯度可达到86％，见Z.Akram,A.Li,A.Qi,et al.Broadband high-order OAM reflective metasurface withhigh mode purity using subwavelength element and circularaperture.IEEEAccess,2019,7:71963-71971。
T.Yuan等人对圆形天线阵列产生OAM波的模式纯度进行了研究，因为天线阵列并不能产生纯模式的OAM波，所以文章指出，要想得到纯模式的OAM波，要用到一定数量的天线阵元，并且要规定OAM波的边界范围，在特殊情况下才能得到纯模式的OAM波，见T.Yuan,Y.Cheng,H.Wang,et al.Mode characteristics of vortical radio wave generated bycircular phased array:theoretical and experimental results.IEEE Transactionson Antennas and Propagation,2017,65(2):688-695。
目前，国内外众多学者都投入了大量时间精力去研究涡旋波的产生，也提出了多种方法去产生涡旋波。这些方法产生的涡旋波均携带多个模式，只是所需的主要模式占比较大，所以，只能通过多种技术手段提升该主要模式的占比。天线阵列产生的涡旋波同样存在模式不纯的问题，通过发明者的推导计算可知，产生涡旋波的最佳方法是同向天线阵列，该天线阵列产生的涡旋波携带5个模式，见D.Liu,L.Gui,K.Chen,et al.Theoreticalanalysis and comparison ofOAM waves generatedby three kinds ofantennaarray.Digital Communications andNetworks,2021,7(1):17-36。这种涡旋波携带多个不同的模式，对于涡旋波的应用会造成不利影响，不利于天线阵列的推广使用。
发明内容
本发明提供一种提高涡旋波模式纯度的天线阵列的排列和馈电方法，解决现有利用阵列天线产生涡旋波携带模式过多的问题。
本发明所提供的一种提高涡旋波模式纯度的天线阵列的排列和馈电方法，包括X向排列的天线阵列(10)、Y向排列的天线阵列(20)，其特征在于：
所述X向排列的天线阵列(10)的N个天线单元均匀的分布在半径为R的圆周上，每个天线单元的馈电端口为X1n；所述Y向排列的天线阵列(20)的N个天线单元均匀的分布在半径为R的圆周上，每个天线单元的馈电端口为Y1n；两个天线阵列分布在相同的圆周上。
所述两种天线阵列的天线单元数目N≥4。
所述两种天线阵列的天线单元的激励信号幅度相同。
所述X向排列的天线阵列(10)第n个天线单元的馈电端口X1n的激励信号相位为其中，l为涡旋波的模式数，并满足-N/2<l<N/2。
所述Y向排列的天线阵列(20)第n个天线单元的馈电端口Y1n的激励信号相位为
本发明工作时，通过给X向排列天线阵列(10)的N个天线单元馈电端口分别加幅度相同、频率相同、相位差依次为2πl/N的激励电流或激励电压，该X向天线阵列产生的涡旋波具有如下特性：电场x分量携带模式为l，l+2和l-2的涡旋波，电场y分量携带模式为l+2和l-2的涡旋波，电场z分量携带模式为l+1和l-1的涡旋波。通过给Y向排列天线阵列(20)的N个天线单元馈电端口分别加幅度相同、频率相同、相位差依次为2πl/N的激励电流或激励电压。但是与上述X向排列的天线阵列(10)的第n个天线单元的相位相差为±π/2，该Y向排列的天线阵列(20)产生的涡旋波具有如下特性：电场x分量携带模式为l+2和l-2的涡旋波，电场y分量携带模式为l，l+2和l-2的涡旋波，电场z分量携带模式为l+1和l-1的涡旋波。
当两个天线阵列同时工作时，则该组合天线阵列产生的涡旋波具有如下特性：
(1)当相位差相差为π/2时，电场x分量携带模式为l和l+2，电场y分量携带模式为l和l+2，电场z分量携带模式为l+1。
(2)当相位差相差为-π/2时，电场x分量携带模式为l和l-2，电场y分量携带模式为l和l-2，电场z分量携带模式为l-1。
本发明工作时，将两个天线阵列组合在一起，通过特定的排列与馈电方法，可以消除部分涡旋波携带的多余模式，将天线阵列产生的涡旋波携带的模式数从5降到3。除此之外，电场z分量携带的涡旋波模式变为纯模式。
与现有的天线阵列产生的涡旋波相比，本发明采用的天线阵列排列和馈电方法，在同样可以产生多个不同模式的涡旋波外，还可以降低电磁波携带轨道角动量的模式数，有利于提升涡旋波的应用前景。
附图说明
图1(A)为本发明实施例1的天线阵列图；
图1(B)为实施例1电场x分量的相位分布图；
图1(C)为实施例1电场y分量的相位分布图；
图1(D)为实施例1电场z分量的相位分布图；
图2(A)为本发明实施例2的天线阵列图；
图2(B)为实施例2电场x分量的相位分布图；
图2(C)为实施例2电场y分量的相位分布图；
图2(D)为实施例2电场z分量的相位分布图；
图3(A)为本发明实施例3的天线阵列图；
图3(B)为实施例3电场x分量的相位分布图；
图3(C)为实施例3电场y分量的相位分布图；
图3(D)为实施例3电场z分量的相位分布图；
图4(A)为本发明实施例4的天线阵列图；
图4(B)为实施例4电场x分量的相位分布图；
图4(C)为实施例4电场y分量的相位分布图；
图4(D)为实施例4电场z分量的相位分布图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明进一步说明。
实施例1
如图1所示，本发明的实施例1，包括X向排列的偶极子天线阵列(10)、和Y向排列的偶极子天线阵列(20)；所述X向排布的偶极子天线阵列(10)与Y向排列的偶极子天线阵列(20)位于相同的空间位置上，两个天线阵列的天线单元的中心是重合的。偶极子天线单元的工作频率为2.4GHz，长度为54mm。
所述X向排列的偶极子天线阵列(10)的12个天线单元均匀的分布在半径为152mm的圆周上，第n个天线单元的馈电端口X1n的激励信号相位为所述Y向排列的天线阵列(20)12个天线单元均匀的分布在半径为152mm的圆周上，第n个天线单元的馈电端口Y1n的激励信号相位为/>两个天线阵列分布在相同的圆周上，并且X向排布天线阵列(10)与Y向排布天线阵列(20)中天线单元的中心是重合的。
本发明工作时，该具体实施例产生的涡旋波具有如下特性：电场x分量携带模式为-1和1的涡旋波，电场y分量携带模式为-1和1涡旋波，电场x分量和y分量携带的不同模式的涡旋波中，占主导地位的为模式-1的涡旋波，所以其相位分布的特性为模式-1的涡旋波特性，电场z分量携带模式为0。
本发明具体实施例的相位分布图均取自平行天线阵列平面且距天线1250mm远处的仿真结果。图1(B)为本实施例电场x分量的相位分布图，如图所示，该相位分布符合模式-1的涡旋波分布特性，图1(C)为本实施例电场y分量的相位分布图，如图所示，该相位分布符合模式-1的涡旋波分布特性，图1(D)为本实施例电场z分量的相位分布图，该相位分布符合模式0的涡旋波分布特性。
实施例2
如图2(A)所示，本发明的实施例2，包括X向排布的天线阵列(10)和Y向排布的天线阵列(20)；和实施例1的区别仅在于：所述X向排布的天线阵列(10)与Y向排布的天线阵列(20)的偶极子天线单元中心不重合，其中，将X向和Y向天线单元交替分布。
图2(B)为本实施例电场x分量的相位分布图，如图所示，该相位分布符合模式-1的涡旋波分布特性，图2(C)为本实施例电场y分量的相位分布图，如图所示，该相位分布符合模式-1的涡旋波分布特性，图2(D)为本实施例电场z分量的相位分布图，该相位分布符合模式0的涡旋波分布特性。可以发现，与实施例1相比，实施例2电场三个分量的相位分布有小范围的畸变。该结果表明，当X向排布天线阵列10与Y向排布天线阵列20中的天线单元中心重合时，可以达到更好的模式消除的效果。
实施例3
如图3(A)所示，本发明的实施例3，包括X向排布的天线阵列(10)和Y向排布的天线阵列(20)；和实施例1的区别仅在于：所述第n个天线单元的馈电端口Y1n的激励信号相位为
本实施例工作时，该具体实施例产生的涡旋波具有如下特性：电场x分量携带模式为-1和-3的涡旋波，电场y分量携带模式为-1和-3涡旋波，电场x分量和y分量携带的不同模式的涡旋波中，占主导地位的为模式-1的涡旋波，所以其相位分布的特性为模式-1的涡旋波特性，电场z分量携带模式为-2。
图3(B)为本实施例电场x分量的相位分布图，如图所示，该相位分布符合模式-1的涡旋波分布特性，图3(C)为本实施例电场y分量的相位分布图，如图所示，该相位分布符合模式-1的涡旋波分布特性，图3(D)为本实施例电场z分量的相位分布图，该相位分布符合模式-2的涡旋波分布特性。
实施例4
如图4(A)所示，本发明的实施例4，包括X向排布的天线阵列(10)和Y向排布的天线阵列(20)；和实施例3的区别仅在于：所述X向排布的天线阵列(10)与Y向排布的天线阵列(20)的偶极子天线单元中心不重合。
图4(B)为本实施例电场x分量的相位分布图，如图所示，该相位分布符合模式-1的涡旋波分布特性，图4(C)为本实施例电场y分量的相位分布图，如图所示，该相位分布符合模式-1的涡旋波分布特性，图4(D)为本实施例电场z分量的相位分布图，该相位分布符合模式-2的涡旋波分布特性。可以发现，与实施例3相比，实施例4电场三个分量的相位分布有小范围的畸变。该结果进一步表明，当X向排布天线阵列(10)与Y向排布天线阵列(20)中的天线单元中心重合时，可以达到更好的模式消除的效果。
上述四个实施例中，X向排布天线阵列(10)和Y向排布天线阵列(20)的天线阵列半径、天线单元大小、工作频率均相同，在实际制造时，X向排布的天线阵列(10)的天线单元与Y向排布的天线阵列(20)的天线单元中心不重合时，会造成一定的畸变，但是对于涡旋波整体的辐射特性不会造成影响。

Claims (1)

1.一种提高涡旋波模式纯度的天线阵列，包括 X 向排列的天线阵列（10）、 Y 向排列的天线阵列（20），其特征在于：
所述 X 向排列的天线阵列（10）的 N 个天线单元均匀的分布在半径为 R的圆周上，每个天线单元的馈电端口为 X1n ；所述 Y 向排列的天线阵列（20） 的 N 个天线单元均匀的分布在半径为 R 的圆周上，每个天线单元的馈电端口为 Y1n ；两个天线阵列分布在相同的圆周上；
所述两种天线阵列的天线单元数目N≥4；
所述 X 向排列的天线阵列（10）和 Y 向排列的天线阵列（20）中天线单元具有相同的激励信号幅度；
所述 X 向排列的天线阵列（10）第 n 个天线单元的馈电端口 X1n的激励信号相位为
φx= 2πln/N，其中，l 为涡旋波的模式数，并满足-N/2<l<N/2；
所述 Y 向排列的天线阵列（20）第 n 个天线单元的馈电端口 Y1n的激励信号相位为
φy= 2πln/N ± π/2。
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