應用PO-AI方法分析加罩OAM天線的輻射特性
發(fā)布時間：2021-09-07 07:22
應用物理光學-口面積分（PO-AI）方法,數(shù)值分析加載天線罩的軌道角動量（OAM）波天線的輻射特性,評判介質(zhì)天線罩對各階模式OAM波的輻射特性、幅相分布以及模式純度的影響程度。通過與現(xiàn)有文獻中天線罩實例的測試值相對比,驗證了算法的正確性和有效性;考察了開口波導環(huán)形陣列OAM波天線工作于不同的模式階數(shù)時,半球形天線罩所引起的空間場幅-相分布的變化。在此基礎上,計算了一個正切卵形、多層介質(zhì)天線罩情況,驗證了PO-AI算法對復雜結構的適應性。從數(shù)值結果可見,天線罩對高階OAM輻射波的幅值分布影響較大。數(shù)值計算也證實該算法可以快速預估介質(zhì)罩存在時OAM波形的畸變程度,有助于實現(xiàn)對天線罩各參數(shù)的快速優(yōu)化。
【文章來源】：電訊技術. 2018,58(02)北大核心
【文章頁數(shù)】：7 頁
【部分圖文】：
波導環(huán)形陣列OAM天線(z軸方向為輻射方向)
，天線的輻射場在一個波束橫截面上的幅－相分布，該波束橫截面與圖2中xoy平面之間的距離為50個波長(即位于z=50λ處的平面)，截面計算區(qū)域為50λ×50λ(－25λ＜x＜25λ，－25λ＜y＜25λ，z=50λ)。本文中所有計算結果中的幅值、相位分布，均位于這一截面內(nèi)。圖1(b)中較外側出現(xiàn)了螺旋形相位等值線重合、交錯的現(xiàn)象，與圖1(a)對比可見，該現(xiàn)象處在電場幅值極小的“零深”區(qū)域(圖1(a)中的“暗環(huán)”)，計算機數(shù)值分析在處理小數(shù)值數(shù)據(jù)時，容易產(chǎn)生數(shù)值誤差，根據(jù)復數(shù)場值求相位時不確定性較大。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口面共面，球心與波導陣列所在圓環(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)對該算例進行分析，由于計算區(qū)域較大，數(shù)值分析時的離散單元極多;當對天線罩的形狀、尺寸進行大規(guī)模優(yōu)化時，多次反復計算所需的時間將難以承受。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－口面積分(PO－AI)方法進行分析。該方法運算速度快，無需繁復的三維體網(wǎng)格剖分，應用方便，其正確性已在現(xiàn)有文獻中得到確認［13－14］。4加罩天線輻射特性的PO－AI計算模型針對類似于圖3的天線罩系統(tǒng)，建立PO－AI算法模型進行分析。首先數(shù)值求解出天線輻射波在天線罩內(nèi)壁上的入射場分布，并在罩壁上進行局部平板－局部平面波入射近似，得到罩壁外側表面上的場分布及其對應的等效電磁流，將等效電磁流在介質(zhì)罩外表面進行口面積分，獲得加罩后天線的輻射場分布。設天線輻射口
具有上下不對稱的特點。限于篇幅，詳細的天線罩曲面方程、喇叭天線與罩結構尺寸、天線安裝位置與罩壁材料等參數(shù)請見文獻［15］，本文不再贅述。該文獻提供了加罩喇叭天線輻射方向圖的實測數(shù)據(jù)。(a)驗證算例天線罩的外表面輪廓簡圖(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［15］實測值對比Fig．4ComparisonofthePO－AIresultsbetweentheexperimentaldataandＲeference［15］應用PO－AI算法對該喇叭－天線罩系統(tǒng)的方向圖進行了計算，其中喇叭天線口徑場分布采取經(jīng)典天線教材中的場分布公式［16］。圖4(b)和圖4(c)是PO－AI計算結果與實測數(shù)據(jù)的對比，系統(tǒng)工作頻點是9．375GHz，可見計算與實測數(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，另一方面，遠區(qū)副瓣的輻射場幅值很小，測量也容易存在偏差。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，即使設置了加速算法，在個人計算機或工作站上也無法支撐仿真計算的順利完成;PO－AI算法不但可以準確地完成計算，而且計算時間只需21min，驗證了該算法的準確性和有效性。5加罩OAM天線輻射特性計算結果圖2所示的波導環(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，分別設置各波導口的相位為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OAM天線輻射場的影響。對于OAM天線，其輻射場的特殊性在于如圖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在數(shù)學上正交，從而保證了信息在l域上可編碼的通信?
本文編號：3389114
【文章來源】：電訊技術. 2018,58(02)北大核心
【文章頁數(shù)】：7 頁
【部分圖文】：
波導環(huán)形陣列OAM天線(z軸方向為輻射方向)
，天線的輻射場在一個波束橫截面上的幅－相分布，該波束橫截面與圖2中xoy平面之間的距離為50個波長(即位于z=50λ處的平面)，截面計算區(qū)域為50λ×50λ(－25λ＜x＜25λ，－25λ＜y＜25λ，z=50λ)。本文中所有計算結果中的幅值、相位分布，均位于這一截面內(nèi)。圖1(b)中較外側出現(xiàn)了螺旋形相位等值線重合、交錯的現(xiàn)象，與圖1(a)對比可見，該現(xiàn)象處在電場幅值極小的“零深”區(qū)域(圖1(a)中的“暗環(huán)”)，計算機數(shù)值分析在處理小數(shù)值數(shù)據(jù)時，容易產(chǎn)生數(shù)值誤差，根據(jù)復數(shù)場值求相位時不確定性較大。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口面共面，球心與波導陣列所在圓環(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)對該算例進行分析，由于計算區(qū)域較大，數(shù)值分析時的離散單元極多;當對天線罩的形狀、尺寸進行大規(guī)模優(yōu)化時，多次反復計算所需的時間將難以承受。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－口面積分(PO－AI)方法進行分析。該方法運算速度快，無需繁復的三維體網(wǎng)格剖分，應用方便，其正確性已在現(xiàn)有文獻中得到確認［13－14］。4加罩天線輻射特性的PO－AI計算模型針對類似于圖3的天線罩系統(tǒng)，建立PO－AI算法模型進行分析。首先數(shù)值求解出天線輻射波在天線罩內(nèi)壁上的入射場分布，并在罩壁上進行局部平板－局部平面波入射近似，得到罩壁外側表面上的場分布及其對應的等效電磁流，將等效電磁流在介質(zhì)罩外表面進行口面積分，獲得加罩后天線的輻射場分布。設天線輻射口
具有上下不對稱的特點。限于篇幅，詳細的天線罩曲面方程、喇叭天線與罩結構尺寸、天線安裝位置與罩壁材料等參數(shù)請見文獻［15］，本文不再贅述。該文獻提供了加罩喇叭天線輻射方向圖的實測數(shù)據(jù)。(a)驗證算例天線罩的外表面輪廓簡圖(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［15］實測值對比Fig．4ComparisonofthePO－AIresultsbetweentheexperimentaldataandＲeference［15］應用PO－AI算法對該喇叭－天線罩系統(tǒng)的方向圖進行了計算，其中喇叭天線口徑場分布采取經(jīng)典天線教材中的場分布公式［16］。圖4(b)和圖4(c)是PO－AI計算結果與實測數(shù)據(jù)的對比，系統(tǒng)工作頻點是9．375GHz，可見計算與實測數(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，另一方面，遠區(qū)副瓣的輻射場幅值很小，測量也容易存在偏差。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，即使設置了加速算法，在個人計算機或工作站上也無法支撐仿真計算的順利完成;PO－AI算法不但可以準確地完成計算，而且計算時間只需21min，驗證了該算法的準確性和有效性。5加罩OAM天線輻射特性計算結果圖2所示的波導環(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，分別設置各波導口的相位為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OAM天線輻射場的影響。對于OAM天線，其輻射場的特殊性在于如圖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在數(shù)學上正交，從而保證了信息在l域上可編碼的通信?
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