一种抑制涡旋电磁波能量发散角的阵列天线及其使用方法技术

本发明专利技术公开了一种抑制涡旋电磁波能量发散角的阵列天线及其使用方法。所述天线包括：底座和多个天线元；所述多个天线元均为相同的螺旋天线，安装在所述底座上，并且所述多个天线元同轴心等间隔分布在圆周上，以组成圆形阵列；每个天线元的水平横截面的半径与所述圆周半径相等。

An array antenna for suppressing energy divergence angle of vortex electromagnetic wave and its usage

The invention discloses an array antenna for suppressing the energy divergence angle of a vortex electromagnetic wave and a method for using the array antenna. The antenna consists of a base and a plurality of antenna elements; the plurality of antenna elements are the same spiral antennas mounted on the base, and the plurality of antenna elements and the axon are distributed on the circumference to form a circular array; the half diameter of the horizontal cross section of each antenna element is equal to the circumferential radius.

【技术实现步骤摘要】
一种抑制涡旋电磁波能量发散角的阵列天线及其使用方法
本专利技术涉及一种抑制涡旋电磁波能量发散角的阵列天线及其使用方法，属于天线设计领域。
技术介绍
到目前为止，国内外利用天线产生涡旋电磁波已经成为无线电领域的主流方法。目前主流的产生涡旋电磁波的天线形式有透射螺旋结构、螺旋反射结构及阵列天线结构。透射螺旋结构包括单阶梯、多阶梯和多孔型螺旋相位结构。这种方法将普通的电磁波直接透射过螺旋相位板，从而添加相位因子使电磁波具有扭曲的波前结构形成涡旋电磁波。透射螺旋结构具有较高的衍射效率，结构原理简单，但波束方向性不理想，不利于能量发散角抑制。涡旋反射面结构可分为阶梯型反射面和螺旋抛物面，当波束入射到反射面时，由于反射面具有非平面的螺旋结构，波前的不同区域会在反射面上引起波束相邻部分有一个相对延迟，从而实现波前扭曲的效果。2011年，B.Thide等人利用该结构天线试验证明了OAM涡旋电磁波在无线通信系统中进行信息传输的可行性。螺旋反射结构的缺点是一旦天线结构确定，就只能产生一种模态的涡旋电磁波，无法同时产生多种模态的涡旋电磁波。阵列天线是产生涡旋电磁波的一种高效可行方法。其通过调整每个阵元的馈电信号相位来产生不同模态的涡旋电磁波。该形式目前常用的主要有偶极子天线阵列、时控阵列天线及相控贴片阵列。在微波领域，各种产生方法各有利弊，针对不同的使用环境进行合理的设计和改进具有重要的研究价值。目前生成涡旋电磁波的天线设计大都属于以上三种类型中的一种或几种的结合。由于涡旋电磁波的能量主要集中在相位波瓣上，电磁波中心存在能量奇点，能量发散角的存在使得接收端对信号的接收提出了巨大的挑战，大范围布阵成本高，极大的限制了涡旋电磁波的应用。目前国际上常用的OAM特征模态产生方法中，无论采用天线阵列方式，还是采用相位板方式或螺旋反射面，都存在着能量发散角的问题。在圆形天线阵列的轴线方向存在能量奇点，是涡旋电磁波的固有特征，该奇点是无法消除的。目前还未见有成熟的天线能对能量发散角进行有效抑制。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的缺陷，提出一种抑制涡旋电磁波能量发散角的阵列天线及其使用方法，解决使用天线生成涡旋电磁波过程中的能量发散角问题，从而解决限制涡旋电磁波远距离传输的瓶颈问题。本专利技术的技术解决方案是：一种抑制涡旋电磁波能量发散角的阵列天线，包括：底座和多个天线元；所述多个天线元均为相同的螺旋天线，安装在所述底座上，并且所述多个天线元同轴心等间隔分布在圆周上，以组成圆形阵列；每个天线元的水平横截面的半径与所述圆周半径相等。根据本专利技术的实施例，相邻天线元之间的相位差为其中，为相邻天线元之间的相位差，N为天线元的数量，l为任意正整数。根据本专利技术的实施例，天线元的电流分布为jn＝jexp(iφn)，其中，jn为第n个天线元上的电流，j为提供至所述抑制涡旋电磁波能量发散角的阵列天线的激励信号的电流，φn为第n个天线元的相位，n＝0、1…N-1。根据本专利技术的实施例，第n个天线元的相位为根据本专利技术的实施例，天线元的数量为8个。一种抑制涡旋电磁波能量发散角的阵列天线的使用方法，包括以下步骤：S1、向抑制涡旋电磁波能量发散角的阵列天线的每个天线元提供激励信号；S2、将第n个天线元的相位设置为N为天线元的数量，为相邻天线元之间的相位差；S3、将多个天线元的电流分布设置为jn＝jexp(iφn)，其中，jn为第n个天线元上的电流，j为提供至所述抑制涡旋电磁波能量发散角的阵列天线的激励信号的电流，n＝0、1…N-1。根据本专利技术的实施例，相邻天线元之间的相位差其中，l为任意正整数。根据本专利技术的实施例，天线元的数量为8个。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)通过采用本专利技术的技术方案，可以显著的抑制涡旋电磁波的能量发散角。(2)通过改变天线阵元的相位，消除能量奇点。(3)通过采用本专利技术的技术方案，可解决涡旋电磁波远距离传输的问题。附图说明图1是根据本专利技术的实施例的抑制涡旋电磁波能量发散角的阵列天线的示意图。具体实施方式以下结合附图，详细描述本专利技术的实施例。当以场分布特性描述OAM特征模态的时候，每组螺旋相位分布组合对应一个轨道角动量的本征态，用来描述OAM特征模态的状态，不同的本征值对应着不同的相位分布本征模态。对一个横坐标是时间，纵坐标是幅度的信号进行傅里叶变换，变换的结果称为该信号的频域特征。同理，对一个横坐标是角度，纵坐标是幅度的信号进行傅里叶变换，变换的结果称为该信号的角动量域特征。当这个角度坐标系构建在于电磁波传播方向垂直的平面内的时候，傅里叶变换后得到角动量域特征就是所谓的OAM特征模态的本征值。利用天线阵列产生携带OAM特征模态的涡旋电磁波是一种高效可行的方案。天线阵通常可采用相控阵，利用相控阵对每个天线元的相位进行控制。首先，将天线等间隔的分布在圆周上，组成圆形阵列，再通过相位控制的方法，让每个天线元都携带不同的相位。在阵列天线产生涡旋电磁波中，与其他现有方法不同的是，通过改变能量奇点位置的方法来实现。采用螺旋天线作为单个阵元来产生涡旋电磁波。天线阵面法向轴线的能量零点是阵元上的谐振电流均匀散布在轴线周围，构成相控阵天线阵列的必然结果。如果要解决这个问题，必须让天线阵列阵元上的谐振电流环绕天线阵面法向轴线，而能实现这种需求的天线类型是螺旋天线。螺旋天线的辐射场是圆极化波，具有波较宽的频带特性。阵列天线系统中，通常采用波束成形技术来控制阵列天线每个阵元激励信号的幅度和相位。当采用天线阵列来产生涡旋电磁波时，就需要相移网络来完成不同阵元激励信号相位的分配。采用Butler矩阵相移网络来实现对天线阵列的多相位差馈电，从而达到多路信号OAM模态分配，同时生成多种模态的涡旋电磁波。如图1所示，根据本专利技术的实施例的抑制涡旋电磁波能量发散角的阵列天线包括底座和多个天线元，多个天线元均为相同的螺旋天线，安装在所述底座上，并且所述多个天线元同轴心等间隔分布在圆周上，以组成圆形阵列，每个天线元的水平横截面的半径与所述圆周半径相等。在示例中，天线元的数量为8个。相邻天线元之间的相位差为如以下等式(1)：其中，为相邻天线元之间的相位差，N为天线元的数量，l为任意正整数。因此，第n个天线元的相位为以下等式(2)：在示例中，天线元的数量为8个，因此，相邻天线元之间的相位差如以下等式(3)：第n个天线元的相位为以下等式(4)：天线元的电流分布为以下等式(5)：jn＝jexp(iφn)(5)其中，jn为第n个天线元上的电流，j为提供至所述抑制涡旋电磁波能量发散角的阵列天线的激励信号的电流，φn为第n个天线元的相位，n＝0、1…N-1。在本专利技术的实施例中，还提供一种抑制涡旋电磁波能量发散角的阵列天线的使用方法，具体包括以下步骤：S1、向抑制涡旋电磁波能量发散角的阵列天线的每个天线元提供激励信号。S2、将第n个天线元的相位设置为φn，φn如等式(2)所示，在示例中，N＝8，则φn如等式(4)所示。S3、将多个天线元的电流分布设置为jn，jn如等式(5)所示，n＝0、1…N-1。通过以上使用方法，天线阵列阵元上的谐振电流环绕天线阵面法向轴线，可以显著的抑制涡旋电磁波的能量发散角，且可解决涡旋电磁波远距离传输的问题。本专利技术说明书中未作详细描述的内容属本领域技本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种抑制涡旋电磁波能量发散角的阵列天线，其特征在于，包括：底座和多个天线元；所述多个天线元均为相同的螺旋天线，安装在所述底座上，并且所述多个天线元同轴心等间隔分布在圆周上，以组成圆形阵列；每个天线元的水平横截面的半径与所述圆周半径相等。

【技术特征摘要】
1.一种抑制涡旋电磁波能量发散角的阵列天线，其特征在于，包括：底座和多个天线元；所述多个天线元均为相同的螺旋天线，安装在所述底座上，并且所述多个天线元同轴心等间隔分布在圆周上，以组成圆形阵列；每个天线元的水平横截面的半径与所述圆周半径相等。2.根据权利要求1所述的抑制涡旋电磁波能量发散角的阵列天线，其特征在于，相邻天线元之间的相位差为其中，为相邻天线元之间的相位差，N为天线元的数量，l为任意正整数。3.根据权利要求1所述的抑制涡旋电磁波能量发散角的阵列天线，其特征在于，天线元的电流分布为jn＝jexp(iφn)，其中，jn为第n个天线元上的电流，j为提供至所述抑制涡旋电磁波能量发散角的阵列天线的激励信号的电流，φn为第n个天线元的相位，n＝0、1…N-1。4.根据权利要求4所述的抑制涡旋电磁波能量发散角的阵列天线，其特征在于，第n个天线元的...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴昌昊，张德智，古月，陈朝霞，刘建妥，胡倩，曾贵明，梁君，欧连军，常青，林川，
申请(专利权)人：中国运载火箭技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11