[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

说明书

本发明提供一种基于同心圆环阵列的涡旋电磁波产生与优化方法，基于多层圆环阵列，通过对单个天线单元辐射方向图、圆环半径和圆环数目、激励信号幅度和相位等设计，实现涡旋电磁波产生与优化的目标，即携带不同轨道角动量模式数的涡旋电磁波波束指向一致且具有较低的旁瓣电平。本发明利用同心圆环阵列产生携带轨道角动量的涡旋电磁波，该涡旋电磁波具有扭曲的相位波前，可以提升电磁波信息调制维度，在目标探测中应用可以促进雷达综合探测能力的提升。通过对天线阵列构型、天线单元以及激励信号的优化，本发明可以使产生的涡旋电磁波具有更高的照射效率，并增强其在目标探测中应用的抗干扰能力，为基于涡旋电磁波的雷达系统设计提供技术支撑。

技术领域

本发明涉及雷达目标探测与雷达系统技术领域，特别涉及一种基于电磁涡 旋的新体制雷达系统设计方法。

背景技术

涡旋电磁波因携带有轨道角动量，其相位波前呈现螺旋形结构，可在其上 调制所需信息，增强电磁波的信息传递与获取能力。除了时域、频域和极化域 等经典信息调制方式，相位波前调制与雷达探测相结合，催生了电磁涡旋成像 这一新技术的诞生。

在电磁涡旋成像技术中，涡旋电磁波产生是一个基础而重要的问题，不同 的产生方法通常对应着不同的成像模型，辐射场质量的优劣也将直接影响目标 图像的重构性能。根据电磁涡旋成像原理(Kang Liu,Yongqiang Cheng,Zhaocheng Yang,Hongqiang Wang,Yuliang Qin,Xiang Li.Orbital-angular-momentum-based electromagnetic vorteximaging[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2015,14:711-714.)，成像过程中需要遍历不同轨道角动量模式数的涡旋电磁波 以获得较高的方位向分辨率，那么要求：携带不同轨道角动量模式数的涡旋电 磁波波束指向一致，且具有较低的旁瓣电平。当前，涡旋电磁波产生方法可以 归纳为三类：一是天线阵列，即通过对阵列构型和馈电网络的设计，产生携带 不同轨道角动量模式数的涡旋电磁波，其中均匀圆形阵列是一种典型的阵列构 型；二是轨道角动量天线，通过对天线构型、馈电方式的设计产生特定模式的涡旋电磁波，包括螺旋型相位平板、抛物面型赋形天线等；三是超表面/超材料 天线，利用超表面或者超材料实现对空间中各点电磁辐射相位和幅度的调制。

面向电磁涡旋成像应用需求，基于天线阵列的涡旋电磁波产生方式，因其 调制灵活方便、与现有相控阵系统兼容性强等特点成为雷达成像中涡旋电磁波 产生的首选方式。因此如何让产生满足电磁涡旋成像需求的多模态涡旋电磁波 是一个亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明提出了一种基于同心圆环阵列的涡旋电磁波产生与优化方法，利用 同心圆环阵列产生满足电磁涡旋成像需求的多模态涡旋电磁波。

本发明基于多层圆环阵列，通过对单个天线单元辐射方向图、圆环半径和 圆环数目、激励信号幅度和相位等设计，实现涡旋电磁波产生与优化的目标， 即携带不同轨道角动量模式数的涡旋电磁波波束指向一致且具有较低的旁瓣电 平。

为实现上述技术目的，本发明采用的具体技术方案如图1所示，具体包括 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和最高旁瓣电平值定义涡旋电磁波优化 的目标函数。