本發(fā)明屬于微波天線，具體涉及一種x/ka雙頻段無衍射艾里渦旋電磁波天線。

背景技術(shù)：

1、面對未來大容量高速通信及高分辨率雷達(dá)成像等需求，攜帶軌道角動量(orbitalangular?momentum,oam)的渦旋電磁波利用其模態(tài)之間的正交性，能夠提升頻譜效率、通信容量以及雷達(dá)分辨率，成為下一代大容量高速無線傳輸?shù)囊环N潛力技術(shù)，有潛力應(yīng)用于衛(wèi)星通信、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)以及高清視頻傳輸?shù)雀鱾€領(lǐng)域。

2、然而，oam波束具有“甜甜圈”形狀的電場強(qiáng)度分布，其橫截面會隨著傳輸距離的增加而增大。顯然，渦旋波束的發(fā)散性嚴(yán)重限制了通信和雷達(dá)的作用距離。不過，無衍射渦旋電磁波天線將無限調(diào)制自由度的oam波束與具有長距離聚束傳播特性的無衍射波束(non-diffracting?beam,ndb)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了oam波束的高聚焦低發(fā)散角傳輸。然而，目前國內(nèi)外大多數(shù)學(xué)者在渦旋電磁波的產(chǎn)生原理以及面向通信的初步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的研究都已經(jīng)相對成熟，只有極少數(shù)學(xué)者研究無衍射渦旋波束。目前的無衍射渦旋波束多為高階貝塞爾渦旋波束，很少學(xué)者關(guān)注具備突然自聚焦、自愈特性的艾里渦旋電磁波波束。考慮到天線因載體平臺設(shè)備眾多引起嚴(yán)重遮擋，艾里波束因其自愈與遠(yuǎn)距離聚焦特性，非常適合用于復(fù)雜星載平臺應(yīng)用。

3、然而，為了實(shí)現(xiàn)oam復(fù)用，需要渦旋電磁波天線同時產(chǎn)生多個oam模態(tài)。但是，oam模態(tài)越高，波束發(fā)散角越大。不同模態(tài)的渦旋波發(fā)散角以及波束寬度不同導(dǎo)致接收天線的口徑一旦被確定，可能無法接收到高階oam模態(tài)的峰值功率。因此，不同模態(tài)的子信道鏈路估計(jì)不同，這嚴(yán)重降低了oam無線通信的接收信噪比。并且，目前大多數(shù)多模態(tài)渦旋電磁波天線存在產(chǎn)生結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及波束發(fā)散角不一致的問題，難以實(shí)現(xiàn)多模態(tài)多維復(fù)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服上述缺陷，提供一種x/ka雙頻段無衍射艾里渦旋電磁波天線，解決了現(xiàn)有渦旋電磁波天線波束發(fā)散、模態(tài)單一以及不同模態(tài)發(fā)散角不一致的技術(shù)問題，本發(fā)明通過對反射電磁波的相位進(jìn)行調(diào)制，以使天線對入射電磁波具有渦旋特性和艾里波束自愈與遠(yuǎn)距離聚焦特性能力，實(shí)現(xiàn)不同模態(tài)波束發(fā)散角一致的特性，在航天器大容量高速通信及高分辨率雷達(dá)成像領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。

2、為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、一種x/ka雙頻段無衍射艾里渦旋電磁波天線，包括饋源和反射陣面；

4、饋源包括x頻段饋源和ka頻段饋源，x頻段饋源采用斜入射饋電，ka頻段饋源采用正饋，降低遮擋影響；

5、反射陣面朝向饋源的口徑輻射面，分為中心圓盤區(qū)域和外部環(huán)形區(qū)域；反射陣面包括若干個周期排列的方形環(huán)貼片和若干個周期排列的十字貼片，方形環(huán)貼片用于對饋源發(fā)出的ka頻段入射電磁波進(jìn)行相位補(bǔ)償，十字貼片用于對饋源發(fā)出的x頻段入射電磁波進(jìn)行相位補(bǔ)償。

6、進(jìn)一步的，方形環(huán)貼片包括方形金屬環(huán)和內(nèi)嵌在方形金屬環(huán)內(nèi)的方形貼片。

7、進(jìn)一步的，方形金屬環(huán)內(nèi)邊長lka＝0.05λ1～1λ1，λ1為真空中ka頻段入射波的波長；

8、方形環(huán)貼片的反射相位隨方形金屬環(huán)內(nèi)邊長lka的增大而增大；

9、方形貼片的邊長l2＝k′·lka，k′＝0.5～1。

10、進(jìn)一步的，十字貼片的臂長lx＝0.2λ2～0.6λ2，λ2為真空中x頻段入射波的波長；十字貼片的反射相位隨十字貼片的臂長lx的增大而增大；

11、十字貼片的寬度wx為0.1mm～0.5mm。

12、進(jìn)一步的，方形金屬環(huán)內(nèi)邊長lka和十字貼片的臂長lx分別根據(jù)ka頻段的預(yù)期反射相位和x頻段的預(yù)期反射相位確定。

13、進(jìn)一步的，預(yù)期反射相位ψmn按照如下公式計(jì)算：

14、

15、其中，φ1是艾里相位分布，l是渦旋模態(tài)數(shù)，是第(m,n)個貼片對應(yīng)的方位角，k0是不同頻率下的傳播常數(shù)，rmn是從第(m,n)個反射單元到反射陣面中心的距離，f是饋源天線的相位中心到反射陣面中心的距離；

16、艾里相位分布φ1按照如下公式計(jì)算：

17、

18、其中，ai(·)是艾里函數(shù)，b0是常數(shù)，r0是艾里波束主環(huán)的半徑參數(shù)，艾里渦旋波束的初始半徑r0＝r0+(1+b0)；r0＝km·d，km取0.02～0.3，d為反射陣面口徑尺寸，滿足b0＝krb/r0，其中krb為正數(shù)。

19、進(jìn)一步的，將方形環(huán)貼片所在區(qū)域記為第一區(qū)域，將十字貼片所在區(qū)域記為第二區(qū)域；

20、第一區(qū)域?yàn)橐苑瓷潢嚸鏋橹行牡膱A形，即中心圓盤區(qū)，記圓形的半徑為r1；

21、第二區(qū)域?yàn)橐苑瓷潢嚸鏋橹行牡膱A形，記圓形的半徑為r2；

22、1/2d≥r2＞r1＞0；d為反射陣面口徑尺寸；

23、第一區(qū)域內(nèi)，同時存在方形環(huán)貼片和十字貼片；

24、第一區(qū)域外第二區(qū)域內(nèi)，即外部環(huán)形區(qū)，只存在十字貼片；

25、進(jìn)一步的，r1、r2根據(jù)如下2個公式確定：

26、不考慮無衍射艾里波束時，圓形反射陣的輻射方向圖如下公式計(jì)算：

27、

28、其中，r是圓形反射陣的半徑參數(shù)，是超幾何函數(shù)，θ和分別表示俯仰角和方位角，l是oam模態(tài)階數(shù)。根據(jù)需求選取x頻段圓形反射陣半徑r2值和oam模態(tài)階數(shù)loam1，通過公式(3)獲得x頻段輻射方向圖峰值對應(yīng)的俯仰角θmax。為了實(shí)現(xiàn)x、ka頻段渦旋波束具有相同的波束發(fā)散角，令ka頻段輻射方向圖峰值對應(yīng)的俯仰角等于θmax。根據(jù)需求選取ka頻段oam模態(tài)階數(shù)loam2，通過公式(3)獲得不考慮無衍射艾里波束情況下，僅具有渦旋特性的ka頻段圓形反射陣半徑r1-oam值。

29、不考慮渦旋波束時，無衍射艾里圓形反射陣的半徑如下公式計(jì)算

30、

31、其中，r是圓形反射陣的半徑參數(shù)，zf為不考慮渦旋波束時無衍射艾里波束的理想焦點(diǎn)距離。krb越大，艾里波束的無衍射聚焦特性越強(qiáng)。通過選取合適的krb、km值和已確定的x頻段圓形反射陣半徑r2值，經(jīng)過公式(4)可以獲得不考慮渦旋電磁波情況下x頻段無衍射艾里波束的焦點(diǎn)距離zf，為了實(shí)現(xiàn)x、ka頻段無衍射艾里波束在相同位置聚焦，令ka頻段無衍射艾里波束的焦點(diǎn)距離等于zf。根據(jù)已確定的zf、km、r1-oam，通過公式(4)獲得ka頻段無衍射艾里波束kr'b值。

32、無衍射艾里渦旋電磁波天線結(jié)合渦旋特性和無衍射艾里波束聚焦特性，實(shí)現(xiàn)無衍射渦旋波束?？紤]到渦旋波束模態(tài)階數(shù)越大，波束發(fā)散角越大，ka頻段反射陣需要加強(qiáng)艾里波束的無衍射聚焦效果，因此選取更大kr”b值，其值大于kr'b。根據(jù)已確定的zf、km、kr”b，通過公式(4)獲得無衍射效果更好的ka頻段反射陣半徑r1-airy值。最后考慮渦旋特性的ka頻段無衍射艾里渦旋反射陣半徑r1取值r1-oam～r1-airy之間，最終結(jié)果值根據(jù)近場綜合理論迭代得到。

33、r指不同模態(tài)值對應(yīng)的不同反射陣的半徑，r分別指ka方形環(huán)貼片所位于反射陣的r1小圓半徑、x十字貼片所位于反射陣的r2大圓半徑。

34、更加具體的，迭代r2-oam、r1-oam、r2-airy、r1-airy值的方法包括：

35、s1根據(jù)需求選取x頻段圓形反射陣半徑r2值和oam模態(tài)階數(shù)loam1；

36、s2根據(jù)步驟s1選取的r2值和loam1，通過公式(3)獲得x頻段輻射方向圖峰值對應(yīng)的俯仰角θmax；

37、s3為實(shí)現(xiàn)x、ka頻段渦旋波束具有相同的波束發(fā)散角，令ka頻段輻射方向圖峰值對應(yīng)的俯仰角等于θmax；

38、s4根據(jù)需求選取ka頻段oam模態(tài)階數(shù)loam2，根據(jù)θmax和loam2，通過公式(3)獲得不考慮無衍射艾里波束情況下，僅具有渦旋特性的ka頻段圓形反射陣半徑r1-oam值；

39、s5根據(jù)需求選取krb、km值；

40、s6根據(jù)步驟s5選取的krb、km值和步驟s1選取的r2值，通過公式(4)獲得不考慮渦旋電磁波情況下x頻段無衍射艾里波束的焦點(diǎn)距離zf；

41、s7為實(shí)現(xiàn)x、ka頻段無衍射艾里波束在相同位置聚焦，令ka頻段無衍射艾里波束的焦點(diǎn)距離等于步驟s6所得zf；

42、s8根據(jù)步驟s7確定的zf、步驟s5確定的km值和步驟s4得到的r1-oam，通過公式(4)得到ka頻段無衍射艾里波束kr'b值；

43、s9為使ka頻段反射陣加強(qiáng)艾里波束的無衍射聚焦，選取新的kr'b值，使新的kr'b值大于步驟s8所得kr'b值；

44、s10根據(jù)步驟s9所選取的新的kr'b值、步驟s7確定的zf和步驟s5確定的km值，通過公式(4)得到ka頻段反射陣半徑r1-airy值；

45、s11采用近場綜合算法，根據(jù)步驟s10所得r1-airy和步驟s4所得r1-oam，得到考慮渦旋特性的ka頻段無衍射艾里渦旋反射陣半徑r1。

46、上述過程中，km取0.02～0.3；

47、krb同時滿足以下條件：

48、5km＜krb＜60km。

49、

50、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下至少一種有益效果：

51、(1)本發(fā)明提供一種x/ka雙頻段無衍射艾里渦旋電磁波天線，通過方形環(huán)貼片和十字貼片的設(shè)計(jì)，能夠同時實(shí)現(xiàn)對ka、x頻段入射電磁波的相位補(bǔ)償，反射相位靈活可調(diào)，適用性強(qiáng)；

52、(2)本發(fā)明給出了x/ka雙頻段雙模無衍射艾里渦旋電磁波等發(fā)散角設(shè)計(jì)方法，通過選取低耦合x/ka雙頻段反射單元以及合適的反射面區(qū)域半徑，可以實(shí)現(xiàn)不同模態(tài)發(fā)散角一致；

53、(3)本發(fā)明給出了方形環(huán)貼片和十字貼片的具體結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)，使反射相位靈活可調(diào)，具有較強(qiáng)的適用性；

54、(4)本發(fā)明給出了方形環(huán)貼片和十字貼片的方式，既有利于降低兩個頻段單元間的互耦效應(yīng)，又能滿足極化不敏感特性，對于不同的極化入射波，具有幾乎相同的反射相位和幅度響應(yīng)。

55、(5)本發(fā)明天線加工簡單、成本低，具有自愈與遠(yuǎn)距離聚焦特性，既為遠(yuǎn)距離艾里渦旋波束的實(shí)現(xiàn)提供了有效方案，又適用于航天器領(lǐng)域中星載平面反射陣應(yīng)用。