0 引言

    工業(yè)和信息化部曾批復(fù)了24.75～27.5 GHz和37～42.5 GHz頻段用于5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)，在較高頻段的微波段中，爭(zhēng)用帶寬的設(shè)備少，傳輸速率有保障。因此，在即將到來的高速信息時(shí)代，開發(fā)高頻段毫米波通信技術(shù)將會(huì)極大地緩解頻譜。目前已經(jīng)應(yīng)用碼分復(fù)用(CDM)、時(shí)分復(fù)用(TDM)、極化復(fù)用(PDM)、正交頻分復(fù)用(OFDM)以及多輸入多輸出(MIMO)等技術(shù)去解決頻譜資源短缺的問題，但這些技術(shù)的應(yīng)用依舊難以滿足未來通信更高速率、更高帶寬的發(fā)展趨勢(shì)。因此，尋找其他新維度的復(fù)用技術(shù)來提高頻譜利用率也已成為大勢(shì)所趨。

    軌道角動(dòng)量(Orbital Angular Momentum，OAM)在無線電通信系統(tǒng)中可以作為一種新的調(diào)制方式?；贠AM復(fù)用的通信技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在同一帶寬內(nèi)并行傳輸多路攜帶信息的OAM渦旋電磁波，能夠大大提高頻譜的利用率^[1]。OAM在光學(xué)中已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，通過引入OAM，光通信系統(tǒng)的傳輸能力得到很大程度的提升^[2]。要想將OAM這種新的調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于微波段，其前提是能夠獲得高質(zhì)量的OAM波束。2010年，MOHAMMADI S M等人通過偶極子陣列天線產(chǎn)生了攜帶OAM的電磁波束^[3]；2011年，TENNANT A等人進(jìn)一步研究，提出時(shí)間開關(guān)陣列(Time-Switched Array，TSA)，可以產(chǎn)生不同模態(tài)的OAM波束^[4]，但載波的信息有效性不是很好；2012年，TAMBURINI F采用螺旋拋物面天線驗(yàn)證了這種OAM復(fù)用技術(shù)^[5]，實(shí)現(xiàn)了在同一頻帶多路信號(hào)的傳輸，但這種天線結(jié)構(gòu)過于單一，不能實(shí)現(xiàn)多模態(tài)OAM波束的產(chǎn)生；2014年，BARBUTO M等人提出了采用圓極化貼片天線產(chǎn)生OAM波束的方法^[6]，這種天線的輻射效率不高；2015年，BAI X等人用圓喇叭陣列天線生成了OAM波束^[7]，但產(chǎn)生的模態(tài)效果不太理想；2016年，LIANG J等人提出了用尺寸小、輻射效率高的介質(zhì)諧振器天線制作寬頻帶OAM天線^[8]，僅實(shí)現(xiàn)了在幾個(gè)特定頻率中心產(chǎn)生OAM波束，嚴(yán)重限制了整個(gè)寬頻帶的利用價(jià)值。之后，越來越多的OAM天線被提出^[9-10]。上述眾多產(chǎn)生OAM波束的方法都沒能實(shí)現(xiàn)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、超帶寬、多頻段工作的OAM天線。因此，探索并設(shè)計(jì)超帶寬OAM天線對(duì)OAM復(fù)用技術(shù)在微波射頻領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的意義。

    本文基于圓環(huán)相控陣列天線模型和OAM渦旋電磁波的產(chǎn)生原理，利用半圓柱介質(zhì)諧振器天線，設(shè)計(jì)了一種超寬帶OAM天線。天線可在Ku、K和Ka 3個(gè)波段工作，解決了OAM天線在高頻微波段難以實(shí)現(xiàn)超寬帶的問題，有效地提高了頻帶利用率。通過對(duì)超寬帶OAM天線主要性能參數(shù)的分析，證實(shí)了天線性能良好，并在幾個(gè)具有代表性的頻率中心產(chǎn)生了電場(chǎng)輻射圖，產(chǎn)生的波束符合OAM渦旋電磁波最關(guān)鍵的特征，同時(shí)也對(duì)工作頻帶上不同頻率中心產(chǎn)生的不同OAM模態(tài)的電場(chǎng)增益方向圖進(jìn)行了分析。

1 OAM天線原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 圓環(huán)相控陣列天線模型

1.2 OAM天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    介質(zhì)諧振器天線因其具有饋電方式多、輻射效率高、損耗低而且體積小的特點(diǎn)，所以比較適合將其作為超寬帶OAM天線的輻射單元。圖2(a)顯示的是超寬帶OAM天線結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)過程并未采用完整的圓柱介質(zhì)諧振器天線，是為了擴(kuò)展天線的頻帶寬度。同時(shí)經(jīng)過多次仿真優(yōu)化，確定使用標(biāo)準(zhǔn)的半圓柱介質(zhì)諧振器天線可以實(shí)現(xiàn)最大的相對(duì)帶寬。

    輻射單元天線如圖2(b)所示，半圓柱介質(zhì)諧振器天線放置在介質(zhì)基板之上，半圓柱介質(zhì)諧振器天線采用Rogers 5880材料制成，其介電常數(shù)ε=6，采用50 Ω阻抗的同軸探針方式饋電。半圓柱介質(zhì)諧振器天線的半徑R=3.2 mm，高度H₁=5 mm；介質(zhì)基板的材料為Rogers RT/duroid 5880 (tm)，其采用聚四氟乙烯玻璃纖維增強(qiáng)材料制造，基板的厚度為H₂=1 mm，相對(duì)介電常數(shù)為2.2。利用同軸探針方式饋電時(shí)，探針的位置以及其嵌入介質(zhì)體的深度對(duì)天線各方面性能都有較為明顯的影響。經(jīng)過多次仿真實(shí)驗(yàn)，通過參數(shù)掃描和優(yōu)化參數(shù)的方式獲得了探針最佳的位置，應(yīng)距離半圓柱介質(zhì)體中心1.6 mm的位置，嵌入介質(zhì)體的最佳深度為H₃=0.9 mm。

2 仿真與分析

    圖3(a)表示OAM天線的回波損耗S11，由圖中的m1和m2可以計(jì)算出相對(duì)帶寬可以達(dá)到93%，頻帶覆蓋了Ku、K和Ka 3個(gè)波段。圖3(b)表示OAM天線的電壓駐波比VSWR，可以發(fā)現(xiàn)圖3(a)中m1和m2之間的頻帶，在圖3(b)中對(duì)應(yīng)的VSWR參數(shù)均小于1.50。在Ku、K和Ka這3個(gè)頻段上，選取幾個(gè)具有代表性的頻點(diǎn)m3、m4、m5以及m6，它們的VSWR參數(shù)分別達(dá)到了1.01、1.04、1.02和1.02。因此，由天線主要性能參數(shù)可知，此OAM天線不僅滿足超帶寬的設(shè)計(jì)要求，而且阻抗匹配也較為良好。

    圖4和圖5分別描述的是中心頻率為19.1 GHz和32.5 GHz兩種情況下，模態(tài)數(shù)l=0、1、2、3的電場(chǎng)輻射圖的變化情況。顯然，在l不等于0的情況下，電場(chǎng)呈螺旋狀分布，這正是OAM波束最重要的本質(zhì)特征，而且OAM渦旋軌跡的波束的數(shù)量為2l。同時(shí)也不難發(fā)現(xiàn)，電場(chǎng)輻射圖中央有凹陷，呈現(xiàn)出了中空波束的特點(diǎn)，隨著l的增加，凹陷區(qū)域的面積也隨之變大。其實(shí)OAM波束凹陷區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)很小，若凹陷區(qū)域的面積變大，OAM波束變得愈加發(fā)散。因此，在檢測(cè)和接收OAM波束信號(hào)時(shí)，中空凹陷區(qū)域的輻射范圍的變化必須作為一個(gè)考慮因素。

    圖6和圖7表示中心頻率為19.1 GHz和32.5 GHz兩種情況下，不同OAM模態(tài)的電場(chǎng)增益方向圖。將圖6中的(a)~(d)和圖7中的(a)~(d)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩種頻率產(chǎn)生相同模態(tài)的OAM波束時(shí)，它們的電場(chǎng)增益圖大小變化基本相同，說明產(chǎn)生的OAM渦旋電磁波能量集中性大致一樣，而且每個(gè)模態(tài)的電場(chǎng)增益方向圖對(duì)稱性良好，體現(xiàn)出了OAM波束具有旋轉(zhuǎn)性和對(duì)稱性的特點(diǎn)。但隨著l的增加，可以發(fā)現(xiàn)19.1 GHz頻率比32.5 GHz頻率產(chǎn)生的OAM波束的螺旋相位波前結(jié)構(gòu)效果更好，當(dāng)l=3時(shí)，體現(xiàn)得更加明顯。

3 結(jié)論

    本文基于半圓柱介質(zhì)諧振器天線和OAM渦旋電磁波的產(chǎn)生原理，有效地將OAM通信技術(shù)與超寬帶天線技術(shù)融合，設(shè)計(jì)了一種超寬帶OAM天線。天線工作于Ku、K和Ka 3個(gè)高頻微波段，實(shí)現(xiàn)了OAM波束在多頻段上的產(chǎn)生，使其發(fā)揮更多提升頻譜利用率的能力；通過仿真分析，發(fā)現(xiàn)在不同頻點(diǎn)下產(chǎn)生相同模態(tài)的OAM波束，它們的電場(chǎng)增益大小變換幾乎一樣，也就是說多頻段上不同頻點(diǎn)產(chǎn)生相同模態(tài)的OAM波束，其能量集中性基本保持不變，并且都具有良好的旋轉(zhuǎn)性和對(duì)稱性，這在一定程度上說明了此OAM天線的有效性和可行性；因此，基于半圓柱介質(zhì)諧振器天線結(jié)構(gòu)的OAM天線適用于生成多種模態(tài)的OAM波束，對(duì)促進(jìn)OAM天線的研究以及多頻段的應(yīng)用都具有一定參考價(jià)值。

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作者信息:

常  偉1，孫學(xué)宏2，3，劉麗萍1，3

（1.寧夏大學(xué) 物理與電子電氣工程學(xué)院，寧夏 銀川750021；

2.寧夏大學(xué) 信息工程學(xué)院，寧夏 銀川750021；3.寧夏沙漠信息智能感知重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川750021）