[发明专利]一种四波束反射型轨道角动量天线设计方法

说明书

本发明提出了一种高效四波束反射型轨道角动量天线设计方法。对方形互补天线单元进行建模，计算出在平面波作用下天线单元的反射电场，计算出反射相位，构建天线变化尺寸与天线的输入阻抗的模型，进一步构建天线变化尺寸与反射相位的模型，采用最小二乘法进行拟合得到模型的具体函数关系式；采用时域有限积分法计算出喇叭天线的远区电场，根据喇叭天线的远区电场计算喇叭天线的方向图，根据喇叭天线的方向图计算喇叭天线的增益以及喇叭天线的10dB波束宽度；四波束反射型轨道角动量天线相位补偿；求解方形互补天线单元的几何尺寸；对方形互补天线单元进行等间距排列得到四波束反射型轨道角动量天线。本发明提升了通信容量并能精确的进行相位补偿。

技术领域

本发明属于天线设计领域，尤其涉及一种四波束反射型轨道角动量天线设计方法。

背景技术

轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)的概念最早源于光学领域。目前在光学领域已经得到了广泛应用，如光学镊子、多路复用通信以及量子存储和量子计算等。基于光波也是一种电磁波的概念，2007年瑞典空间物理研究所Bo Thidé教授等通过仿真证明了，使用阵列天线可以产生在波束近轴方向上具有类似于Laguerre-Gauss涡旋光束特点的电磁波，并首次提出在微波射频段下将OAM应用于普通无线电通信领域的原理、方法和设想，从而拉开了涡旋电磁波在低频段应用的序幕。

目前能够产生涡旋电磁波的天线类型主要有：螺旋相位板，天线阵列，圆形贴片天线等几种方法。其中螺旋相位板一旦加工，只能产生单一模式的涡旋电磁波而且螺旋相位板往往较厚难以用于实际；天线阵列能够产生数种模式的涡旋电磁波但是馈电网络往往十分复杂且造价昂贵；圆形贴片天线结构简单但是产生的涡旋电磁波模式单一且产生的波束增益较低。空馈反射型轨道角动量天线具有馈电网络简单、加工难度小，可以同时产生数种涡旋电磁波模式的特点，但是存在设计效率低、天线单元变化尺寸计算不够精确、天线单元反射相位无法满足360°且反射相位曲线不够平缓等问题。

发明内容

为了解决现有的轨道角动量天线难以同时产生多个轨道角动量模式、产生的波束增益低的问题，本发明提出了一种四波束反射型轨道角动量天线设计方法。

本发明的技术方案为一种四波束反射型轨道角动量天线设计方法，具体包括以下步骤：

步骤1：对方形互补天线单元进行建模，计算出在平面波作用下天线单元的反射电场，根据反射电场计算反射系数，根据反射系数计算出反射相位，构建天线变化尺寸与天线的输入阻抗的模型，进一步构建天线变化尺寸与反射相位的模型，最后采用最小二乘法进行拟合，得到模型的具体函数关系式；

步骤2：采用时域有限积分法计算出喇叭天线的远区电场，根据喇叭天线的远区电场计算喇叭天线的方向图，根据喇叭天线的方向图计算喇叭天线的增益以及喇叭天线的10dB波束宽度；

步骤3：四波束反射型轨道角动量天线相位补偿；

步骤4：求解方形互补天线单元的几何尺寸；

步骤5：根据步骤3中计算出来的角动量天线相位补偿，对方形互补天线单元进行等间距排列，得到四波束反射型轨道角动量天线，所述天线单元材料采用金属铜。

作为优选，步骤1中所述平面波为：

其中，E_xm为X轴电场幅值，E_ym为Y轴电场幅值，为X轴电场相位，为Y轴电场相位；

步骤1中所述反射电场为：

其中E^ref为反射电场、E^inc为入射波电场、ε为介电常数、J为天线单元表面电流；

步骤1中所述反射系数为：