基于顺序旋转同心圆阵列的平顶OAM波束设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于顺序旋转同心圆阵列的平顶OAM波束设计方法，首先采用圆极化贴片以顺序旋转的方式均匀排列形成单个圆阵列，它们能产生连续的相位差从而产生OAM波，可以有效简化馈电结构并减少优化目标；然后将多个圆阵列组合成同心圆结构，通过优化各圆阵列的阵列半径以及旋转角度，可以让结构更加紧凑；最后引入一个方向图目标优化函数，以各圆阵列仿真出的方向图数据为基础通过算法对各圆阵列的激励幅值进行优化，从而获得效果最佳的平顶波束。该方法设计简单，结构紧凑，并且设计出的OAM波束具有平顶特性，可用于抑制接收时的干扰信号。干扰信号。干扰信号。

【技术实现步骤摘要】
基于顺序旋转同心圆阵列的平顶OAM波束设计方法


[0001]本专利技术涉及天线方向图赋形技术，具体涉及一种基于顺序旋转同心圆阵列的平顶OAM波束设计方法。

技术介绍

[0002]随着无线通信领域的快速发展以及各种需求的巨幅增加，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，轨道角动量的模分复用逐渐被大家所熟知，模式之间的正交性使得理论上在同频段可以存在无穷种模式，这使得轨道角动量成为解决频谱问题的新可能。
[0003]产生OAM涡旋波的方式有螺旋相位板，超表面，单天线等，但它们很难产生多模OAM波，从而导致无线通信系统中的特定固有限制。均匀圆阵(UCA)是另一种产生OAM波的流行方法，通过对阵列单元的连续相位馈电可以很容易产生各种模态的OAM波，但单元间的相移通常需要复杂的馈电网络来实现，并且产生高模态的OAM波束需要更多的天线单元，从而导致较大的天线尺寸。
[0004]在电磁波的接收过程中，干扰信号对电磁波的接收具有很大影响，尽管大多数干扰信号可以通过滤波器消除。但是，接收频率附近的干扰信号很难用滤波器滤除，因此要尽量避免干扰信号。普通的辐射波束，在其边缘和中间的辐射功率不同，有可能造成噪声的功率大于有用信号的功率，导致接收的效果不好，甚至信号失真，而平顶波束在整个波束区域内辐射功率均匀，因此能很好地抑制干扰。
[0005]平顶波束可以通过波束赋形的方法来实现，通过对馈电电流的相位和幅度进行控制来实现期望的平顶波束。主要难点就是在于寻求一组阵列天线的幅值相位激励分布，使阵列天线的方向图满足预设的条件。这是一个复杂的多目标、非线性的优化问题，需要通过阵元位置，来确定阵元幅度或相位。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种基于顺序旋转同心圆阵列的平顶OAM波束设计方法，以简单、紧凑的结构将平顶波束在通信领域的优势移用到OAM波上来，可有效抑制OAM信号接收过程中受到的干扰。
[0007]本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：第一方面，本专利技术提供一种基于顺序旋转同心圆阵列的平顶OAM波束设计方法，包括：
[0008]采用圆极化贴片以顺序旋转的方式均匀排列形成单个圆阵列，产生连续的相位差从而产生OAM波；
[0009]将多个圆阵列组合成同心圆结构，通过优化各圆阵列的阵列半径以及旋转角度，缩小结构尺寸；
[0010]引入方向图目标优化函数，以各圆阵列仿真出的方向图数据为基础对各圆阵列的激励幅值进行优化，获得平顶波束。
[0011]进一步的，所述圆极化贴片为带切角的背馈式等腰直角三角形贴片，通过切角的方式使圆极化贴片在被激励时产生两个显著性相同、特征角相差九十度的正交主模式，从而形成圆极化波。
[0012]进一步的，贴片沿斜边对称，当馈电点位于对称轴上侧时，贴片为左旋圆极化单元，当馈电点位于对称轴下侧时，该贴片为右旋圆极化单元。
[0013]进一步的，单个圆阵列若要产生模态为l的OAM波，圆阵列的单元数N应满足当l>0时，采用N个圆极化单元分别顺时针旋转,
……
，若单元为左圆极化单元，则依次逆时针排列成UCA，若单元为右圆极化单元，则依次按顺时针排列成UCA；这两种情况均能产生l>0模式的OAM波；当l<0时，采用左旋圆极化单元依次顺时针旋转或者右旋圆极化单元以依次逆时针旋转。
[0014]进一步的，采用交趾分布的圆阵列形成同心圆结构，外层的圆环相对里层的圆环有一个角度偏转，使得外圈的单元能插入内圈的单元间隙；相邻圆阵列在满足相邻单元之间的传输系数不高于
‑
15dB的情况下，通过仿真软件进行参数扫描优化，得出各圆阵列的不同半径以及旋转角度下的远场方向图结果，选出副瓣电平最低的情况下各圆阵列的半径以及旋转角度的组合。
[0015]进一步的，针对仿真得到的同心圆结构中各圆阵列独立工作时的远场方向图数据，设立一个目标优化函数：
[0016]min{w1|Ω
F>0.5maxF
‑
Ω
des
|+w2|Ω
0.2maxF<F<0.5maxF
|}
[0017]其中
[0018][0019]式中Ω
des
是设定的目标3dB波束宽度，Ω
F>0.5maxF
是实际的3dB波束宽度，Ω
F>0.2maxF
是实际的10dB波束宽度，Ω
0.3maxF<F<0.5maxF
则代表前面两者的差值；目标优化函数中前项表示合成波束远场方向图的3dB波束宽度与目标之差，表示与目标之间的接近程度；后项表示远场方向图上从最大值衰减3dB到衰减10dB之间的宽度，反映平顶波束的滚降程度；w1和w2为预设的两项的权重系数；同心圆结构的总的远场由F表示，其中l
m
和inc
m
表示从内到外第m个圆环的模态和激励系数，r
n
和分别代表圆阵列中第n个圆极化单元的位置和相位，loops表示圆环的集合，k是波数。
[0020]进一步的，通过优化算法对目标优化函数以及各圆阵列的远场方向图进行优化，选出最优的各圆阵列激励系数的组合，将各激励系数再次代入同心圆结构中，最后通过仿真进行验证，矩形系数小于1.3、带内波纹小于1dB则满足平顶波束的基本条件。所述矩形系数为3dB带宽与1dB带宽的比值。
[0021]第二方面，本专利技术提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现第一方面所述的方法的步骤。
[0022]第三方面，本专利技术提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现第一方面所述的方法的步骤。
[0023]与现有技术相比，本专利技术的显著优点为：
[0024](1)本专利技术基于圆极化单元以顺序旋转的方式排列产生高纯度OAM波，省去馈电网络中移相器的设计，并且无需考虑阵列间单元的差异，简化了优化目标；
[0025](2)多个圆阵列间采用交趾分布进一步优化同心圆结构，使得整体结构具有紧凑型，为后续平顶OAM波束的设计保留更多优化空间；
[0026](3)利用不同半径的圆阵列产生不同发散角的OAM波束，优化实现的具有平顶特性的OAM波束不仅保留有高纯度的轨道角动量特性，还能在接收区域内均匀辐射。
附图说明
[0027]图1是本专利技术的流程示意图。
[0028]图2是本专利技术的具体实施例中单元结构示意图。
[0029]图3是本专利技术的具体实施例中整体结构示意图。
[0030]图4是本专利技术的具体实施例中各圆阵列上相邻单元的回波损耗以及各圆阵列间相邻单元的传输系数。
[0031]图5是本专利技术的具体实施例中各圆阵列的归本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于顺序旋转同心圆阵列的平顶OAM波束设计方法，其特征在于，包括：采用圆极化贴片以顺序旋转的方式均匀排列形成单个圆阵列，产生连续的相位差从而产生OAM波；将多个圆阵列组合成同心圆结构，通过优化各圆阵列的阵列半径以及旋转角度，缩小结构尺寸；引入方向图目标优化函数，以各圆阵列仿真出的方向图数据为基础对各圆阵列的激励幅值进行优化，获得平顶波束。2.根据权利要求1所述的基于顺序旋转同心圆阵列的平顶OAM波束设计方法，其特征在于，所述圆极化贴片为带切角的背馈式等腰直角三角形贴片，通过切角的方式使圆极化贴片在被激励时产生两个显著性相同、特征角相差九十度的正交主模式，从而形成圆极化波。3.根据权利要求2所述的基于顺序旋转同心圆阵列的平顶OAM波束设计方法，其特征在于，贴片沿斜边对称，当馈电点位于对称轴上侧时，贴片为左旋圆极化单元，当馈电点位于对称轴下侧时，该贴片为右旋圆极化单元。4.根据权利要求3所述的基于顺序旋转同心圆阵列的平顶OAM波束设计方法，其特征在于，单个圆阵列若要产生模态为l的OAM波，圆阵列的单元数N应满足当l>0时，采用N个圆极化单元分别顺时针旋转若单元为左圆极化单元，则依次逆时针排列成UCA，若单元为右圆极化单元，则依次按顺时针排列成UCA；这两种情况均能产生l>0模式的OAM波；当l<0时，采用左旋圆极化单元依次顺时针旋转或者右旋圆极化单元以依次逆时针旋转。5.根据权利要求1所述的基于顺序旋转同心圆阵列的平顶OAM波束设计方法，其特征在于，采用交趾分布的圆阵列形成同心圆结构，外层的圆环相对里层的圆环有一个角度偏转，使得外圈的单元能插入内圈的单元间隙；相邻圆阵列在满足相邻单元之间的传输系数不高于
‑
15dB的情况下，通过仿真软件进行参数扫描优化，得出各圆阵列的不同半径以及旋转角度下的远场方向图结果，选出副瓣电平最低的情况下各圆阵列的半径以及旋转角度的组合。6.根据权利要求5所述的基于顺序旋转同心圆阵列的平顶OAM波束设计方法，其特征在于，针对仿真得到的同心圆结构中各圆阵列独立工作时的远场方向图...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡俊，林本通，吴文，马毅博，朱迪，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：