应用PO-AI方法分析加罩OAM天线的辐射特性

发布时间：2021-09-07 07:22

　　应用物理光学-口面积分（PO-AI）方法,数值分析加载天线罩的轨道角动量（OAM）波天线的辐射特性,评判介质天线罩对各阶模式OAM波的辐射特性、幅相分布以及模式纯度的影响程度。通过与现有文献中天线罩实例的测试值相对比,验证了算法的正确性和有效性;考察了开口波导环形阵列OAM波天线工作于不同的模式阶数时,半球形天线罩所引起的空间场幅-相分布的变化。在此基础上,计算了一个正切卵形、多层介质天线罩情况,验证了PO-AI算法对复杂结构的适应性。从数值结果可见,天线罩对高阶OAM辐射波的幅值分布影响较大。数值计算也证实该算法可以快速预估介质罩存在时OAM波形的畸变程度,有助于实现对天线罩各参数的快速优化。 

【文章来源】：电讯技术. 2018,58(02)北大核心

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

波导环形阵列OAM天线(z轴方向为辐射方向)

，天线的辐射场在一个波束横截面上的幅－相分布，该波束横截面与图2中xoy平面之间的距离为50个波长(即位于z=50λ处的平面)，截面计算区域为50λ×50λ(－25λ＜x＜25λ，－25λ＜y＜25λ，z=50λ)。本文中所有计算结果中的幅值、相位分布，均位于这一截面内。图1(b)中较外侧出现了螺旋形相位等值线重合、交错的现象，与图1(a)对比可见，该现象处在电场幅值极小的“零深”区域(图1(a)中的“暗环”)，计算机数值分析在处理小数值数据时，容易产生数值误差，根据复数场值求相位时不确定性较大。在天线阵上覆盖如图3所示的半球形天线罩，外球面半径Ｒ为1．0m，罩壁厚度t为20mm，半球形底面与矩形波导口面共面，球心与波导阵列所在圆环的圆心重合。罩壁介质介电常数为2．08，且忽略介电损耗。图3加罩OAM天线示意图Fig．3SketchofanOAMantennacoveredbyaradome如果采用有限元法(FEM)或商业软件(如CST、HFSS等)对该算例进行分析，由于计算区域较大，数值分析时的离散单元极多;当对天线罩的形状、尺寸进行大规模优化时，多次反复计算所需的时间将难以承受。为尽快把握加罩OAM天线的辐射特性，提高优化效率，本文采用基于高频近似的物理光学－口面积分(PO－AI)方法进行分析。该方法运算速度快，无需繁复的三维体网格剖分，应用方便，其正确性已在现有文献中得到确认［13－14］。4加罩天线辐射特性的PO－AI计算模型针对类似于图3的天线罩系统，建立PO－AI算法模型进行分析。首先数值求解出天线辐射波在天线罩内壁上的入射场分布，并在罩壁上进行局部平板－局部平面波入射近似，得到罩壁外侧表面上的场分布及其对应的等效电磁流，将等效电磁流在介质罩外表面进行口面积分，获得加罩后天线的辐射场分布。设天线辐射口

具有上下不对称的特点。限于篇幅，详细的天线罩曲面方程、喇叭天线与罩结构尺寸、天线安装位置与罩壁材料等参数请见文献［15］，本文不再赘述。该文献提供了加罩喇叭天线辐射方向图的实测数据。(a)验证算例天线罩的外表面轮廓简图(b)E面方向图(c)H面方向图图4加罩喇叭天线PO－AI算法与文献［15］实测值对比Fig．4ComparisonofthePO－AIresultsbetweentheexperimentaldataandＲeference［15］应用PO－AI算法对该喇叭－天线罩系统的方向图进行了计算，其中喇叭天线口径场分布采取经典天线教材中的场分布公式［16］。图4(b)和图4(c)是PO－AI计算结果与实测数据的对比，系统工作频点是9．375GHz，可见计算与实测数据的一致性很好，其中E面方向图在0°～40°范围内吻合得很好;在远离40°的副瓣区域，偏差较大，一方面是由于本文PO－AI算法忽略了罩内的多次反射效应，另一方面，远区副瓣的辐射场幅值很小，测量也容易存在偏差。而H面方向图的两组数据在0°～32°范围内也吻合得很好。该算例中天线罩的电尺寸很大，使用现有的CST等商业软件，即使设置了加速算法，在个人计算机或工作站上也无法支撑仿真计算的顺利完成;PO－AI算法不但可以准确地完成计算，而且计算时间只需21min，验证了该算法的准确性和有效性。5加罩OAM天线辐射特性计算结果图2所示的波导环形天线阵，加载图3所示的天线罩后，根据所要分析的OAM模式数l，分别设置各波导口的相位为n×l×30°。按照上述PO－AI算法，分析加罩后OAM天线的辐射特性，考察天线罩对OAM天线辐射场的影响。对于OAM天线，其辐射场的特殊性在于如图1(b)所示的空间相位分布特征:不同模式数l的OAM波，其相位特性不同且应在数学上正交，从而保证了信息在l域上可编码的通信?


本文编号：3389114