专利摘要

本发明公开了一种基于环状天线阵列的电磁飞环生成器，属于微波天线技术领域。该电磁飞环生成器包括圆形金属地板、设置于地板正面的2N*(N+1)个天线单元、设置于地板背面的同轴馈线。2N*(N+1)个天线单元呈同心圆环状分布，由圆心向外分别是第1环至第N环，所述第n(n＝1…N)环处设置有4n个天线单元，同一环中的天线单元结构相同且等间距设置。本发明通过构建环状的天线阵列，采用天线阵直接辐射的方式，选取电磁飞环解析函数作为激励信号，经天线阵辐射出去后，由电磁飞环的自修复特性可以修复成为电磁飞环，完成电磁飞环的超环面拓扑结构的实现。

权利要求

1.一种基于环状天线阵列的电磁飞环生成器，包括圆形金属地板、设置于地板正面的2N*(N+1)个天线单元、设置于地板背面的同轴馈线；

所述2N*(N+1)个天线单元呈同心圆环状分布，由圆心向外分别是第1环至第N环，所述第n(n＝1…N)环处设置有4n个天线单元，同一环中的天线单元结构相同且等间距设置；相邻两环之间的间距为电磁飞环的三倍波长，第1环距圆心的距离也是电磁飞环的三倍波长，N的值由电磁飞环电场分布确定；

所述同轴馈线为2N*(N+1)个SMA接头，每个SMA接头分别对应一个天线单元，不同天线单元馈入的激励由电磁飞环的波动方程解积分得到。

2.如权利要求1所述的一种基于环状天线阵列的电磁飞环生成器，其特征在于，所述天线单元沿切向放置，则电磁飞环生成器生成的是TE电磁飞环；所述天线单元沿径向放置，则电磁飞环生成器生成的是TM电磁飞环。

3.如权利要求1所述的一种基于环状天线阵列的电磁飞环生成器，其特征在于，每一环天线单元的工作频率由对应位置处电磁飞环频谱确定。

4.如权利要求1所述的一种基于环状天线阵列的电磁飞环生成器，其特征在于，所述天线单元为磁电偶极子天线或维瓦尔第天线。

说明书

技术领域

本发明属于微波天线技术领域，具体涉及一种基于环状天线阵列的电磁飞环生成器。

背景技术

电磁飞环作为麦克斯韦方程组的一种有限能量脉冲解，具有超环面拓扑结构。TE电磁飞环的电场在垂直于传播方向的横截面上呈环状分布，磁场围绕电场旋转形成闭合的回路，将TE电磁飞环的电场和磁场互换位置即可得到TM电磁飞环，电磁飞环在传播轴上具有强烈的纵向场分量。同时，由于电磁飞环的波动方程解具有空时不可分离特性，所以电磁飞环具有很宽的频谱，且在不同半径处具有不同的频谱分布。此外，电磁飞环还具有可以远大于脉冲波长的非衍射段。电磁飞环所具有的独特特性在很多方面具有潜在的应用，其在无轨道加速、新型多极子激励、定域能量/信息传输、高敏感度检测等诸多方面具有重要应用前景。已有研究表明，电磁飞环可以有效激励起Toroidal偶极子，且电磁飞环在传播轴上强烈的纵向场分量可用于空间粒子加速。电磁飞环的非衍射段则可用于定域能量传输和通信。然而，由于电磁飞环独特的拓扑结构以及随空间位置变化的频谱分布使得实际产生电磁飞环面临着许多困难。

文献“Properties of electromagnetic beams generated by ultra-widebandwidth pulse-driven arrays(R.W.Ziolkowski IEEE Transactions on Antennasand Propagation,1992,40(8):888-905)”中设想使用天线阵列产生电磁定向能量脉冲串(Electromagnetic Directed Energy Pulse Trains,EDEPTs)。该设想提出使天线阵相应位置的阵元按照EDEPTs的空间频率和幅度分布发射电磁波，就可以产生相应的EDEPTs。电磁飞环作为一种特殊的EDEPTs，原理上也可以用这种方法产生。但是该文献仅仅提出了设想，对于用天线阵列产生电磁飞环时天线的排布、极化以及激励信号等问题，并未给出具体实施方案。

发明内容

本发明的目的是解决上述技术问题，实现电磁飞环的生成，提供一种用于生成电磁飞环的环状天线阵列。

本发明解决所述技术问题所采取的技术方案是：

一种基于环状天线阵列的电磁飞环生成器，包括圆形金属地板、设置于地板正面的2N*(N+1)个天线单元、设置于地板背面的同轴馈线。

所述2N*(N+1)个天线单元呈同心圆环状分布，由圆心向外分别是第1环至第N环，所述第n(n＝1…N)环处设置有4n个天线单元，同一环中的天线单元结构相同且等间距设置。相邻两环之间的间距为电磁飞环的三倍波长，第1环距圆心的距离也是电磁飞环的三倍波长，N由电磁飞环电场分布确定。

所述同轴馈线为2N*(N+1)个SMA接头，每个SMA接头分别对应一个天线单元，不同天线单元馈入的激励由电磁飞环的波动方程解积分得到。

进一步地，所述天线单元沿切向放置，则电磁飞环生成器生成的是TE电磁飞环；所述天线单元沿径向放置，则电磁飞环生成器生成的是TM电磁飞环。

进一步地，所述天线单元为磁电偶极子天线或维瓦尔第天线。每一环天线单元的工作频率由对应位置处电磁飞环频谱确定。

本发明的有益效果是：

(1)本发明采用天线阵直接辐射的方式，在实现电磁飞环生成的基础上进一步简化了设计流程，同时本发明结构简单，减少了由于多个器件组合带来的不理想问题。

(2)本发明通过构建环状的天线阵列，可以实现电磁飞环的超环面拓扑结构。

(3)本发明选取电磁飞环解析函数作为激励信号，经天线阵辐射出去后，由电磁飞环的自修复特性可以修复成为电磁飞环，完成电磁飞环的实现。

附图说明

图1为本发明所述TE电磁飞环生成器三维立体图；

图2为本发明所述TE电磁飞环生成器俯视图；

图3为本发明所述TM电磁飞环生成器三维立体图；

图4为本发明所述TM电磁飞环生成器俯视图；

图5为本实施例磁电偶极子天线单元正面图；

图6为本实施例磁电偶极子天线单元反面图；

图7为电磁飞环经天线辐射出去的电场传播状态仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。

本实施例提供一种基于环状天线阵列的TE电磁飞环生成器，其三维立体图如图1所示，俯视图如图2所示。包括圆形金属地板、设置于地板正面的112个天线单元以及对应设置于地板背面的112个SMA接头。所述112天线单元呈同心圆环状分布，沿切向放置且竖直固定在金属地板1上，由圆心向外分别是第1环至第7环，第7环对应位置处理想电磁飞环的电场值已降到最大值的0.2以下。第1环放置四个相同的天线单元2，相邻天线单元2角向间隔90°，天线单元2距圆心为三倍波长；第2环放置八个相同的天线单元3，相邻天线单元3角向间隔45°，天线单元3距圆心为六倍波长；以此类推，第7环放置有二十八个相同的天线单元8，相邻天线单元8角向间隔12.86°，天线单元8距圆心为二十一倍波长。

本实施例采用112个SMA接头分别对应一个天线单元同时，馈入不同的激励，激励波形由相应位置处理想电磁飞环波动方程解积分得到，下式为理想电磁飞环波动方程柱坐标系下的解：

其中，σ＝z+ct，τ＝z-ct，z为轴向传播距离，t为传播时间，f0是归一化常数，ρ为半径。Eθ为柱坐标系下的切向电场，Hρ为柱坐标系下径向磁场，Hz为柱坐标系下z向磁场。c为真空中光速，ε0为真空中介电常数，μ0为真空中磁导率。q1表示波长，q2表示非衍射区长度，本例中q1＝0.01m,q2＝800q1。

本实施例中天线单元为磁电偶极子天线，如图5所示为磁电偶极子正面，图6所示为磁电偶极子背面。天线单元包括矩形介质基板、位于介质基板正面的振子臂9、以及位于介质基板反面的弯折阶梯型馈线11。天线单元基板材质为F4B，厚度为0.8mm。振子臂9为镜像对称设置的两个倒L形金属贴片，弯折阶梯型馈线11由三阶梯金属贴片和L型弯折延伸段组成，三阶梯金属贴片宽边一端作为馈电端口，L型弯折延伸段与三阶梯金属贴片的连接处呈90度夹角。位于不同半径位置的天线单元工作频率由对应位置处电磁飞环频谱确定，且天线单元工作频率范围覆盖该位置处电磁飞环频谱下降到最大值95％的频率范围。

基于上述方案，天线阵的环状分布可满足电磁飞环的超环面拓扑结构对于电磁场分布的要求；通过对各位置处的天线单元的工作频率进行约束，满足了各个位置处对于频谱分布的要求；采用理想电磁飞环激励，通过天线单元辐射出去，传播一段距离后即可由电磁飞环的自修复特性得到较为理想的电磁飞环状态。

图7给出了TE电磁飞环经由天线单元辐射出去后在传播方向的面上的电场分布，传播一段距离后即得到较为理想的电磁飞环电场分布。

综上所述，本实施例基于环状天线阵列产生环状的电场或磁场，构建了电磁飞环生成器，产生了与电磁飞环吻合的极化分布，实现了电磁飞环的超环面拓扑结构。通过调控天线单元的工作频率，使阵列产生的场满足电磁飞环的频谱分布。同时，馈入理想电磁飞环激励，获得了更优的电磁飞环生成效果。

基于环状天线阵列的电磁飞环生成器专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。