應(yīng)用物理光學(xué)-口面積分（PO-AI）方法,數(shù)值分析加載天線罩的軌道角動(dòng)量（OAM）波天線的輻射特性,評(píng)判介質(zhì)天線罩對(duì)各階模式OAM波的輻射特性、幅相分布以及模式純度的影響程度。通過(guò)與現(xiàn)有文獻(xiàn)中天線罩實(shí)例的測(cè)試值相對(duì)比,驗(yàn)證了算法的正確性和有效性;考察了開(kāi)口波導(dǎo)環(huán)形陣列OAM波天線工作于不同的模式階數(shù)時(shí),半球形天線罩所引起的空間場(chǎng)幅-相分布的變化。在此基礎(chǔ)上,計(jì)算了一個(gè)正切卵形、多層介質(zhì)天線罩情況,驗(yàn)證了PO-AI算法對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性。從數(shù)值結(jié)果可見(jiàn),天線罩對(duì)高階OAM輻射波的幅值分布影響較大。數(shù)值計(jì)算也證實(shí)該算法可以快速預(yù)估介質(zhì)罩存在時(shí)OAM波形的畸變程度,有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)天線罩各參數(shù)的快速優(yōu)化。 

【文章來(lái)源】：電訊技術(shù). 2018,58(02)北大核心

【文章頁(yè)數(shù)】：7 頁(yè)

【部分圖文】：

波導(dǎo)環(huán)形陣列OAM天線(z軸方向?yàn)檩椛浞较?

，天線的輻射場(chǎng)在一個(gè)波束橫截面上的幅－相分布，該波束橫截面與圖2中xoy平面之間的距離為50個(gè)波長(zhǎng)(即位于z=50λ處的平面)，截面計(jì)算區(qū)域?yàn)?0λ×50λ(－25λ＜x＜25λ，－25λ＜y＜25λ，z=50λ)。本文中所有計(jì)算結(jié)果中的幅值、相位分布，均位于這一截面內(nèi)。圖1(b)中較外側(cè)出現(xiàn)了螺旋形相位等值線重合、交錯(cuò)的現(xiàn)象，與圖1(a)對(duì)比可見(jiàn)，該現(xiàn)象處在電場(chǎng)幅值極小的“零深”區(qū)域(圖1(a)中的“暗環(huán)”)，計(jì)算機(jī)數(shù)值分析在處理小數(shù)值數(shù)據(jù)時(shí)，容易產(chǎn)生數(shù)值誤差，根據(jù)復(fù)數(shù)場(chǎng)值求相位時(shí)不確定性較大。在天線陣上覆蓋如圖3所示的半球形天線罩，外球面半徑Ｒ為1．0m，罩壁厚度t為20mm，半球形底面與矩形波導(dǎo)口面共面，球心與波導(dǎo)陣列所在圓環(huán)的圓心重合。罩壁介質(zhì)介電常數(shù)為2．08，且忽略介電損耗。圖3加罩OAM天線示意圖Fig．3SketchofanOAMantennacoveredbyaradome如果采用有限元法(FEM)或商業(yè)軟件(如CST、HFSS等)對(duì)該算例進(jìn)行分析，由于計(jì)算區(qū)域較大，數(shù)值分析時(shí)的離散單元極多;當(dāng)對(duì)天線罩的形狀、尺寸進(jìn)行大規(guī)模優(yōu)化時(shí)，多次反復(fù)計(jì)算所需的時(shí)間將難以承受。為盡快把握加罩OAM天線的輻射特性，提高優(yōu)化效率，本文采用基于高頻近似的物理光學(xué)－口面積分(PO－AI)方法進(jìn)行分析。該方法運(yùn)算速度快，無(wú)需繁復(fù)的三維體網(wǎng)格剖分，應(yīng)用方便，其正確性已在現(xiàn)有文獻(xiàn)中得到確認(rèn)［13－14］。4加罩天線輻射特性的PO－AI計(jì)算模型針對(duì)類(lèi)似于圖3的天線罩系統(tǒng)，建立PO－AI算法模型進(jìn)行分析。首先數(shù)值求解出天線輻射波在天線罩內(nèi)壁上的入射場(chǎng)分布，并在罩壁上進(jìn)行局部平板－局部平面波入射近似，得到罩壁外側(cè)表面上的場(chǎng)分布及其對(duì)應(yīng)的等效電磁流，將等效電磁流在介質(zhì)罩外表面進(jìn)行口面積分，獲得加罩后天線的輻射場(chǎng)分布。設(shè)天線輻射口

具有上下不對(duì)稱(chēng)的特點(diǎn)。限于篇幅，詳細(xì)的天線罩曲面方程、喇叭天線與罩結(jié)構(gòu)尺寸、天線安裝位置與罩壁材料等參數(shù)請(qǐng)見(jiàn)文獻(xiàn)［15］，本文不再贅述。該文獻(xiàn)提供了加罩喇叭天線輻射方向圖的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。(a)驗(yàn)證算例天線罩的外表面輪廓簡(jiǎn)圖(b)E面方向圖(c)H面方向圖圖4加罩喇叭天線PO－AI算法與文獻(xiàn)［15］實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig．4ComparisonofthePO－AIresultsbetweentheexperimentaldataandＲeference［15］應(yīng)用PO－AI算法對(duì)該喇叭－天線罩系統(tǒng)的方向圖進(jìn)行了計(jì)算，其中喇叭天線口徑場(chǎng)分布采取經(jīng)典天線教材中的場(chǎng)分布公式［16］。圖4(b)和圖4(c)是PO－AI計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，系統(tǒng)工作頻點(diǎn)是9．375GHz，可見(jiàn)計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的一致性很好，其中E面方向圖在0°～40°范圍內(nèi)吻合得很好;在遠(yuǎn)離40°的副瓣區(qū)域，偏差較大，一方面是由于本文PO－AI算法忽略了罩內(nèi)的多次反射效應(yīng)，另一方面，遠(yuǎn)區(qū)副瓣的輻射場(chǎng)幅值很小，測(cè)量也容易存在偏差。而H面方向圖的兩組數(shù)據(jù)在0°～32°范圍內(nèi)也吻合得很好。該算例中天線罩的電尺寸很大，使用現(xiàn)有的CST等商業(yè)軟件，即使設(shè)置了加速算法，在個(gè)人計(jì)算機(jī)或工作站上也無(wú)法支撐仿真計(jì)算的順利完成;PO－AI算法不但可以準(zhǔn)確地完成計(jì)算，而且計(jì)算時(shí)間只需21min，驗(yàn)證了該算法的準(zhǔn)確性和有效性。5加罩OAM天線輻射特性計(jì)算結(jié)果圖2所示的波導(dǎo)環(huán)形天線陣，加載圖3所示的天線罩后，根據(jù)所要分析的OAM模式數(shù)l，分別設(shè)置各波導(dǎo)口的相位為n×l×30°。按照上述PO－AI算法，分析加罩后OAM天線的輻射特性，考察天線罩對(duì)OAM天線輻射場(chǎng)的影響。對(duì)于OAM天線，其輻射場(chǎng)的特殊性在于如圖1(b)所示的空間相位分布特征:不同模式數(shù)l的OAM波，其相位特性不同且應(yīng)在數(shù)學(xué)上正交，從而保證了信息在l域上可編碼的通信?


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