[发明专利]一种基于同心圆环阵列天线的涡旋电磁波方向图综合方法

说明书

本发明公开了一种基于同心圆环阵列天线的涡旋电磁波方向图综合方法，其包括以下步骤：S1、根据需要产生的拓扑荷选择基本函数，并建立初步方向图函数；S2、对初步方向图函数进行旁瓣电平优化，得到优化后的函数；S3、获取优化后的函数的圆口径激励电流，将其带入辐射方向图，得到连续面源分布的方向图；S4、将连续面源分布的方向图中的激励电流进行离散化，获取离散后的同心圆环天线的激励电流，进而得到基于同心圆环阵列天线的涡旋电磁波方向图，完成方向图综合。本发明解决了涡旋电磁波成像中涡旋电磁波发射和接收的方向图综合问题，为涡旋电磁波成像的实验研究提供理论支撑和设计指导。

技术领域

本发明涉及涡旋电磁波方向图综合领域，具体涉及一种基于同心圆环阵列天线的涡旋电磁波方向图综合方法。

背景技术

涡旋电磁波由于在拓扑荷域提供了新的自由度，近两年在无线通信领域成为研究热点，同时，涡旋电磁波利用拓扑荷域、目标方位角之间的对偶关系也为目标电磁成像提供了一种全新的工作原理。与频率和时间之间的关系类似，利用拓扑荷变量与方位角变量之间的对偶关系，可以实现方位向的高分辨率成像。这种工作机制与SAR成像工作机制完全不同，无需运动平台，在保持收发天线静止的条件下就能完成方位向的高分辨成像。为了实现涡旋电磁波的成像和通信，涡旋电磁波发射天线必须能够产生任意拓扑荷数的涡旋电磁波。传统的涡旋电磁波产生方法包括：螺旋相位板、同心圆环阵列、阶跃反射金属板、负折射率材料反射板。这些方法的共同缺点是仅能产生某一种拓扑荷数的涡旋电磁波，不能够任意调控拓扑荷数；同时，产生的不同拓扑荷数的涡旋电磁波方向图为对应阶数的贝塞尔函数，旁瓣较大，不能人为控制其电平。上述缺点导致涡旋电磁成像不易实现。

涡旋电磁波成像和通信的关键核心问题是天线方向图不满足成像要求，目前，能够产生涡旋电磁波且在技术上容易调控天线方向图的简单方法是采用同心圆环阵列作为发射和接收阵列天线。而传统的阵列天线方向图综合如泰勒综合法、贝利斯综合法均针对平面电磁波，在涡旋电磁波方面未涉及。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于同心圆环阵列天线的涡旋电磁波方向图综合方法可有效将涡旋电磁波方向图进行综合。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种基于同心圆环阵列天线的涡旋电磁波方向图综合方法，其包括以下步骤：

S1、根据需要产生的拓扑荷选择基本函数，并建立初步方向图函数；

S2、对初步方向图函数进行旁瓣电平优化，得到优化后的函数；

S3、获取优化后的函数的圆口径激励电流，将其带入辐射方向图，得到连续面源分布的方向图；

S4、将连续面源分布的方向图中的激励电流进行离散化，获取离散后的同心圆环天线的激励电流，进而得到基于同心圆环阵列天线的涡旋电磁波方向图，完成方向图综合。

进一步地，步骤S1的具体方法包括以下子步骤：

S1-1、构建产生拓扑荷值的漩涡电磁波的基本函数F_n

其中u＝2asinθ/λ，a是待求圆口径的是半径，λ是电磁波波长，θ是球坐标变量；μ_nM为J'_n(πu)＝0的第M个零点，m＝M，J_n(·)是n阶贝塞尔函数；π为圆周率；J'_n(πu)为J_n(πu)对u的一阶导数；

S1-2、根据公式