[发明专利]基于同心圆环阵列的涡旋电磁波产生与优化方法

权利要求书

1.基于同心圆环阵列的涡旋电磁波产生与优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，同心圆环阵列构型设计；

同心圆环阵列由多个同圆心且由内之外等间距分布的圆环组成，每一层圆环中均匀分布有多个天线单元并且所有天线单元的天线极化方向要求一致；各圆环中的天线单元数量由内至外均匀递增；

第二步，方向图函数推导；

推导同心圆环阵列的辐射方向图函数表达式，其中同心圆环阵列中的每一层圆环均采用递增式相位激励方式，每一层圆环激励信号幅度值为待优化参数；

第三步，目标函数定义；

根据期望的方向图主瓣指向角度值θ_des和最高旁瓣电平值定义涡旋电磁波优化的目标函数；

第四步，激励信号优化，根据第三步定义的目标函数，采用遗传算法优化求解每一层圆环激励信号幅度值。

2.根据权利要求1所述的基于同心圆环阵列的涡旋电磁波产生与优化方法，其特征在于：第一步中，同心圆环阵列中的圆环数目设定为H层，H由需要产生的涡旋电磁波最大轨道角动量模式数l_max决定，H＝l_max；

根据工作信号频率，设定同一层圆环上相邻两个天线单元间距为工作信号波长λ；第h层圆环半径大小设定为a_h＝hλ,h＝1,2,…,H；根据圆环半径和天线间距，计算得到第h层天线单元个数为其中表示向下取整数。

3.根据权利要求1所述的基于同心圆环阵列的涡旋电磁波产生与优化方法，其特征在于：天线单元是一种平面喇叭天线，其材料为金属铝；其包括辐射天线以及与辐射天线相连的波导，所述辐射天线为长方体形，其中所述辐射天线远离波导的一端设为开口的正方形框体，辐射天线靠近波导的一端内部设有与正方形框体联通的长方形腔体，所述波导的内部空腔与辐射天线内的腔体贯通。

4.根据权利要求3所述的基于同心圆环阵列的涡旋电磁波产生与优化方法，其特征在于：天线单元其材料为金属铝。

5.根据权利要求3所述的基于同心圆环阵列的涡旋电磁波产生与优化方法，其特征在于：所述波导为长方体形。

6.根据权利要求5所述的基于同心圆环阵列的涡旋电磁波产生与优化方法，其特征在于：辐射天线整体长宽高尺寸分别为17mm×25mm×25mm，辐射天线内部腔体长宽高尺寸分别为8mm×16.9mm×9mm，波导长宽高尺寸分别为30mm×22mm×10mm。

7.根据权利要求6所述的基于同心圆环阵列的涡旋电磁波产生与优化方法，其特征在于：天线单元其中心频率10GHz；增益8dB，H面波束宽度67°，E面波束宽度60°。

8.根据权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的基于同心圆环阵列的涡旋电磁波产生与优化方法，其特征在于：第二步中，第h层圆环上天线单元激励信号相位依次设定为φ_hn＝2πl(n-1)/N_h，n＝1,2,…,N_h，其中N_h表示第h层圆环上天线单元数目，l表示轨道角动量模式数，激励信号幅度记为I_h，那么得到同心圆环阵列的辐射方向图F(θ,φ)表达式为

其中每一层圆环激励信号幅度值I_h为待优化参数，J_l(ka_hsinθ)表示第l阶贝塞尔函数，k为波数。