1.基于时间调制同心圆环阵列的涡旋波产生与优化方法,其特征在于:该方法包括以下步骤:第一步,配置同心圆环阵列;
同心圆环阵列由多个具有相同圆心不同半径的单层圆环构成,每层圆环之间的间隔固定,每环上的阵元呈均匀分布,并为每一个阵元接入一个周期性工作的高速射频开关;
第二步,设计开关时序;
由于该阵列中的每个阵元都接入了一个高速的射频开关,利用这种射频开关周期性地控制各个阵元的工作状态;通过控制每个阵元的接通起始时间和接通持续时间,合成期望的辐射方向图;
第三步,激励信号幅值优化;
为了得到较低的旁瓣电平,采用粒子群算法对该阵列进行优化,设定每一环的激励信号幅值Im为待优化参数,根据旁瓣电平值定义目标函数,按照粒算法步骤得到优化后的每环幅度激励,在该激励下阵列产生的波束旁瓣较低;
在所述第一步中,同心圆环阵列由M个具有相同圆心不同半径的单层圆环构成,第m环的半径设定为am=(1+0.5m),m=1,2,…,M;各层圆环上相邻两个阵元的间隔为λ/2,λ是阵元的工作波长;根据圆环半径和阵元间隔可以得到每一环的阵元数目表示向下取整;为每一个阵元接入一个周期性工作的高速射频开关,则该阵列的辐射方向图表示为:式中,f0表示阵元的中心频率;k表示波数,k=2π/λ;θ表示俯仰角,φ表示方位角,φmn表示第m环第n个阵元与x轴正向的夹角,φmn=2π(n‑1)/Nm;Im表示第m环的激励信号的幅值;Umn(t)是一个的周期性调制函数,表示第m环第n个阵元的工作状态。
2.根据权利要求1所述的基于时间调制同心圆环阵列的涡旋波产生与优化方法,其特征在于:在所述第二步中,假设每个阵元仅在给定的时间内周期性的接通,第m环第n个射频开关上的调制信号Umn(t)表示为:式中,Tp是调制信号的周期,τmn,on表示第m环第n个阵元在一个开关工作周期内归一化后的起始接通时间,Δτmn表示第m环第n个阵元在一个开关工作周期内归一化后的接通持续时间;
根据周期函数的性质,F(θ,φ,t)展开为傅里叶级数如下:
其中,fp是调制频率,Smn,i是第i次谐波的傅里叶系数,计算如下:由于第i次谐波傅里叶系数Smn,i中的exp(‑jπi(2τmn,on+Δτmn))引入了一个相移,并且该相移的相位项与阵元的起始接通时间和接通持续时间有关,通过控制各阵元的起始接通时间和接通持续时间把该相位项转化成涡旋电磁波携带的旋转相位因子exp(jlφ)。
3.根据权利要求2所述的基于时间调制同心圆环阵列的涡旋波产生与优化方法,其特征在于:所述同心圆环阵列具有多个单层圆环并且每层圆环上的阵元数目不同,需要为每环设计相应的开关时间序列;
将第i次谐波的傅里叶系数Smn,i改写为:
将Smn,i中的Δτmn设定为固定值,取值范围为(0,1),并令exp(‑jπi(2τmn,on+Δτmn))等于该阵列能够产生涡旋电磁波的旋转相位因子exp(j2πl(n‑1)/Nm);该时间调制同心圆环阵列能够在各次谐波频率上同时产生多个模态的涡旋电磁波必须满足τmn,on=(n‑1)/Nm,此时l=‑i。
4.根据权利要求3所述的基于时间调制同心圆环阵列的涡旋波产生与优化方法,其特征在于:所述第三步中,根据辐射方向图函数,采用粒子群算法对该阵列进行优化,定义目标函数为:fitness=min{MSLL(Im)}
设定每层圆环的激励信号幅值Im为待优化参数,归一化的取值范围为[0,1],单层圆环上的阵元均是等幅值激励;按照粒子群算法步骤得到优化后的每环幅度激励,使得在该激励下阵列的辐射方向图峰值旁瓣电平达到期望值。