0 引言

    隨著無線通信中智能終端的快速發(fā)展和普及，通信容量逐漸遇到瓶頸(香農(nóng)容量)，OAM(Orbital Angular Momentum)就是突破這個(gè)瓶頸的方法之一。近年來有研究表明，攜帶軌道角動(dòng)量的渦旋電磁波系統(tǒng)是一種非平面?zhèn)鞑サ牟āy有軌道角動(dòng)量(OAM)的電磁波具有e^jlθ的螺旋相位結(jié)構(gòu)，其中l(wèi)是一個(gè)無界整數(shù)(OAM的模態(tài)值或拓?fù)浜蓴?shù))，θ是橫向的方位角。因此，理論上OAM具有無窮多的狀態(tài)且不同的OAM模態(tài)之間相互正交。攜有軌道角動(dòng)量(OAM)的電磁波不僅可以顯著提高通信系統(tǒng)的頻譜利用率和容量，而且OAM系統(tǒng)可以提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更高的信號(hào)安全性。把OAM當(dāng)做新的調(diào)制自由度來緩解頻譜資源與日俱增的壓力，已成為無線通信領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

    電磁波不僅能攜帶能量，還可以攜帶角動(dòng)量，其中角動(dòng)量又可以分為軌道角動(dòng)量^[1]及自旋角動(dòng)量(Spin Angular Momentum，SAM)，OAM指的是依賴于場分布的角動(dòng)量。直到1992年，OAM才被ALLEN L發(fā)現(xiàn)^[2]。隨后，基于OAM在光學(xué)領(lǐng)域的研究逐漸展開。2007年，THIDE B等人證明均勻圓陣列可以產(chǎn)生攜有軌道角動(dòng)量的渦旋電磁波，并首次提出將OAM應(yīng)用于無線通信的設(shè)想^[3]。2011年，THIDE B等在意大利進(jìn)行了OAM的第一次室外無線通信實(shí)驗(yàn)，采用螺旋拋物面天線產(chǎn)生了攜有OAM(模態(tài)值為1)的渦旋電磁波，并用八木天線用作接收，證明了渦旋電磁波用于無線傳輸?shù)目尚行裕辉?012年他們進(jìn)一步展開了電磁波的抗干擾性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，并且發(fā)現(xiàn)相位編碼技術(shù)可以兼容OAM編碼技術(shù)。2016年，周守利等使用圓形貼片的天線陣列產(chǎn)生了攜有OAM的電磁波^[4]。2019年，喬旭光等人提出了一種新型超帶寬(UWB)高增益的雙頻段共口徑天線^[5]，但是不屬于雙頻OAM天線。迄今為止，能產(chǎn)生攜有OAM渦旋電磁波的方法大致可分為如下4種：透射螺旋結(jié)構(gòu)、透射光柵結(jié)構(gòu)、反射螺旋面和相控陣列結(jié)構(gòu)。幾類OAM天線結(jié)構(gòu)各有千秋，也有不足。透射光柵結(jié)構(gòu)過多地依賴于計(jì)算全息法(Computer Generated Hologram，CGH)，全6息板的制作復(fù)雜；透射螺旋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生渦旋電磁波的方式受特定波長的限制；反射螺旋面結(jié)構(gòu)簡單，然而產(chǎn)生的波束的方向性卻不盡人意^[6]，單一尺寸的反射螺旋面結(jié)構(gòu)只能一種OAM模式^[7]；相控陣天線結(jié)構(gòu)簡單，通過改變相鄰陣元的相位差就可以實(shí)現(xiàn)不同OAM模態(tài)值的切換。近幾年，產(chǎn)生OAM渦旋電磁波的熱門的方法之一是相控微帶陣列天線^[8]。雖然人們已經(jīng)研究了幾種實(shí)現(xiàn)單模或多模的OAM波束的方法，但對(duì)雙頻OAM天線的研究卻很少。如果基于OAM通信系統(tǒng)能夠在兩個(gè)頻帶上工作，則通信系統(tǒng)容量將會(huì)再上一個(gè)臺(tái)階。本文的研究目的就是希望能夠填補(bǔ)這一空白。

    目前利用均勻圓陣列產(chǎn)生OAM，陣列單元主要是矩形貼片和圓形貼片^[9]。圓形貼片天線體積大，容易耦合。而矩形貼片具有天線體積小、成本相對(duì)其他天線低等優(yōu)勢，因此矩形貼片天線常常作為相控陣列天線的陣元。本文把矩形貼片天線作為陣元，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種相控陣列天線，使其可以工作在兩個(gè)頻段范圍內(nèi)，并且可以工作在較高的頻率(21 GHz和27 GHz)，以期能有效地提高頻帶利用率。

1 陣列天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    本文設(shè)計(jì)的相控陣列天線是由8個(gè)陣元(矩形微帶貼片天線)繞圓心間隔45°均勻排列的，該陣列天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其陣元的結(jié)構(gòu)如圖2所示。在設(shè)計(jì)之初，先通過相關(guān)的公式進(jìn)行計(jì)算來得到陣元的一些參數(shù)值，其次再使用三維電磁仿真軟件ANAYS HFSS(High Fre-

quency Structure Simulator)對(duì)天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，該陣列天線用同軸線作為饋線，饋線的上表面連接的是矩形貼片，下表面連接的是導(dǎo)體貼片，介質(zhì)采用FR4材料，其相對(duì)介電常數(shù)為4.4，金屬地板采用pec材質(zhì)。天線陣列尺寸見表1，其中，L₀為輻射貼片的長度；W₀為輻射貼片的寬度；L₂為同軸饋電線饋點(diǎn)距原點(diǎn)的距離；H為介質(zhì)板的厚度和同軸線的高度，同軸饋電線采用pec材料；L₁為介質(zhì)板的長度；W₁為介質(zhì)板的寬度；R_in為同軸饋電線的半徑；R_out為導(dǎo)體貼片半徑；R₀為陣列天線各陣元中心到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離。

    通過使用HFSS來仿真如圖1所示的微帶貼片陣列以獲得該天線陣列的主要性能，如圖3所示。該陣列天線的兩個(gè)諧振頻率分別落在21 GHz和27 GHz，對(duì)應(yīng)的回波損耗S₁₁分別為-24.51 dB和-26.21 dB。電壓駐波比VSWR都在1.5以下，說明阻抗匹配良好，陣列天線設(shè)計(jì)達(dá)到了要求。

2 仿真結(jié)果與分析

    圖4和圖5分別為中心頻率在21 GHz和27 GHz時(shí)，對(duì)于模態(tài)值l=0，l=±1，l=±2，l=±3的，8個(gè)陣元分別按0°，±45°，±90°，±135°相位延遲依次繞Z軸成同心圓分布，相應(yīng)的電場輻射圖的變化情況。當(dāng)l=0時(shí)，電磁波的能量集中在Z軸，不具有渦旋相位波前，是平面波。當(dāng)l=1時(shí)，在Z軸方向天線陣列產(chǎn)生了中空波束，呈渦旋狀的能量圍繞中空區(qū)域分布，此時(shí)的電磁波不再是平面波，而是產(chǎn)生了螺旋相位波前發(fā)生扭曲，這是由于兩個(gè)相鄰的陣元之間的相位存在45°的差異，當(dāng)l=-1時(shí)，相鄰的兩個(gè)陣元的相位相差-45°，該天線陣列能產(chǎn)生順時(shí)針的螺旋相位波前；當(dāng)l=-1時(shí)，相鄰的兩個(gè)陣元之間的相位相差45°，該陣列天線能產(chǎn)生逆時(shí)針的螺旋相位波前。當(dāng)l從±1升高到±3時(shí)，顯然，電磁波束攜有OAM的形式形成螺旋相位波前，電場輻射圖的中央出現(xiàn)空域，具有中空波束的特點(diǎn)，電場輻射圖中央的空域面積隨著l的增加而增加。當(dāng)l=±3時(shí)，渦旋電磁波波束的中心空域面積達(dá)到最大，其能量也是最發(fā)散的。中心頻率為27 GHz時(shí)，渦旋電磁波的能量比21 GHz時(shí)更集中。實(shí)際上OAM波束中心空域的電場強(qiáng)度很小，中心軸(Z軸)的能量幾乎為零，而且空域面積越大，說明電磁波的能量越不集中，OAM波束變得越發(fā)散。所以，當(dāng)對(duì)OAM波束信號(hào)進(jìn)行檢測和接收時(shí)，應(yīng)該把空域面積的變化納入考量范圍內(nèi)。

    圖6和圖7分別表示中心頻率為21 GHz和27 GHz時(shí)，模態(tài)值l=0，1，2，3的OAM對(duì)應(yīng)的方向角=0°的E面方向、方向角=90°的H面方向的天線增益變化圖。根據(jù)經(jīng)典電磁理論，渦旋電磁波相位結(jié)構(gòu)不隨波束傳輸距離的變化而變化，故從理論上而言，渦旋電磁波有著很好的旋轉(zhuǎn)性和對(duì)稱性，即當(dāng)=0°時(shí)，天線的方向性應(yīng)該是對(duì)稱的。通過對(duì)比圖6(a)~圖6(d)和圖7(a)~圖7(d)，當(dāng)OAM波束的模態(tài)值相同時(shí)，中心頻率為21 GHz和27 GHz的電場增益圖的大小變化大致相同，這說明該天線陣列產(chǎn)攜帶的OAM渦旋電磁波束能量的集中程度幾乎一致；同時(shí)每個(gè)OAM模態(tài)值對(duì)應(yīng)的電場增益方向圖的對(duì)稱性良好， 這就說明該天線陣列攜帶的OAM渦旋電磁波能量集中程度基本相同；而各個(gè)模態(tài)的電場增益方向圖的對(duì)稱性很好，這些都體現(xiàn)了OAM 波束具有旋轉(zhuǎn)性和對(duì)稱性[10－11]，這就驗(yàn)證了理論。但是，隨著模態(tài)值l的增加 ，顯然，中心頻率為21 GHz比27 GHz時(shí)該天線陣列所攜帶的OAM波束的螺旋相位波前結(jié)構(gòu)效果更差，當(dāng)l=3時(shí)，圖4(a)~圖4(d)和圖5(a)~圖5(d)的曲線變化充分體現(xiàn)了這一點(diǎn)。

3 結(jié)論

    本文基于OAM渦旋電磁波理論并以矩形微帶貼片天線為陣元，設(shè)計(jì)了一款可以同時(shí)在21 GHz和27 GHz產(chǎn)生OAM渦旋電磁波并且能正常工作的雙頻陣列天線。有效地拓展了天線帶寬，通過改變陣元的饋電相位就可以改變產(chǎn)生OAM的模態(tài)值，有效地提高了頻帶利用率。并且微帶天線具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、成本低和易于制作等優(yōu)點(diǎn)，易于實(shí)用。迄今為止，盡管由陣列天線產(chǎn)生OAM渦旋電磁波的方法還停留在理論仿真階段，但是，如何產(chǎn)生多模態(tài)值的OAM渦旋電磁波，如何設(shè)計(jì)高增益、多頻段、超寬帶的微帶天線，如何檢測OAM的模態(tài)值以及如何接收OAM渦旋電磁波信號(hào)等困難，對(duì)于OAM天線的研究具有光明的應(yīng)用前景，依然值得今后不斷探索和努力。

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作者信息:

張玲玲

(浙江工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院，浙江 杭州310023)