王倩男， 蘇晉榮， 裴立力， 陳新偉

(山西大學 物理電子工程學院， 山西 太原 030006)

0 引 言

近年來， 隨著科學技術的不斷發(fā)展和進步， 信息產(chǎn)品不斷地更新?lián)Q代， 智能終端的數(shù)量與日俱增. 與此同時， 有限的傳輸帶寬和頻譜利用率已無法滿足快速增長的帶寬要求， 成為無線通信技術面臨的關鍵問題. 渦旋電磁波由于攜帶軌道角動量(OAM)， 且不同的模式正交， 能有效利用頻譜資源并提升波束抗干擾能力， 在通信領域可提升頻譜利用率和通信容量， 在雷達成像領域可提升分辨率， 具有很好的應用前景.

當前， 關于OAM的研究主要集中在光學領域， 對于無線通信頻段的研究還處于起步階段， 近幾年的研究表明， 軌道角動量在無線通信領域也具有廣闊的發(fā)展前景. 2007年， Thide等[1]首次證明具有連續(xù)相移的均勻圓形陣列天線(UCA)可以用于產(chǎn)生OAM電磁波. 迄今為止， 有多種產(chǎn)生攜帶OAM渦旋電磁波的方法， 其中包括螺旋相位板結構、 單貼片天線和陣列天線等結構. 采用螺旋拋物面天線[2]和單一貼片被認為是獲得OAM波束的典型方法； 文獻[3]采用3個同心的圓形貼片同時生成了工作在l=+1和l=-2的OAM渦旋波， 然而單貼片生成的OAM渦旋波工作帶寬較窄； 文獻[4]采用螺母型貼片天線， 通過控制饋電點的位置生成渦旋波， 然而， 每次只能產(chǎn)生單一模式的渦旋波， 很難滿足某些基于渦旋電磁波通信的多模式OAM波的要求. 陣列天線由于其簡單的結構和易于控制的相位， 成為產(chǎn)生OAM電磁波的一種有效方法. 最早用來產(chǎn)生OAM渦旋波的陣列天線是在2009年實現(xiàn)的[5]. 此后， 關于陣列天線產(chǎn)生軌道角動量的研究在很多文獻中出現(xiàn). 文獻[6]采用同軸饋電的半圓型開槽微帶天線為單元， 實現(xiàn)了兩個波段同時產(chǎn)生攜帶有軌道角動量的電磁波； 文獻[7]將陣列天線與圓極化相結合， 形成了一種生成多種模態(tài)軌道角動量電磁波的陣列天線， 但上述兩種結構都沒有設計微帶功分器； 通過移相器和功率分配器的組合， 使用4個貼片[8]或者8個貼片[9]可以生成固定模式的OAM渦旋波， 但這種方法設計的天線生成的OAM渦旋波模式單一； 通過多層均勻圓形陣列天線和鏡像饋電網(wǎng)絡組合盡管可以實現(xiàn)雙模態(tài)的渦旋波[10]， 但天線的尺寸較大且端口間隔離度較小， 仍有進一步改進的空間.

本文設計了一種可生成兩種模態(tài)的軌道角動量渦旋電磁波陣列天線， 通過調節(jié)每個陣列天線的功分相移饋電網(wǎng)絡， 生成了l=+1和l=-2兩種模式的渦旋電磁波， 并且利用陣列天線貼片間的耦合， 展寬了陣列天線的帶寬， 同時天線結構緊湊， 端口間隔離度較大.

1 天線陣與饋電網(wǎng)絡設計

1.1 天線結構

如圖 1 所示， 整個天線陣列采用層疊結構， 第一層介質基板(S1)的頂層是兩個微帶天線陣(P1和P2)和一個功分相移饋電網(wǎng)絡(N1)， 第二層介質基板(S2)的背面設計了另外一個功分相移饋電網(wǎng)絡(N2)， 兩個介質基板共用一個接地板(G1).天線陣列P2和饋電網(wǎng)絡N2通過使用金屬探針連接.兩層介質基板都使用相對介電常數(shù)為4.4的FR-4， 厚度為1.6 mm. 兩組生成不同OAM模式的陣列天線分布在半徑分別為R1=33 mm 和R2=56 mm的同心圓上. 接地板和介質基板中都有8個圓形過孔， 以避免探針和接地板連接. 功分相移饋電網(wǎng)絡為一組陣列天線依次提供相等幅度和恒定相位增量的信號. 為了簡化饋電系統(tǒng)， 饋電網(wǎng)絡由等功率功分器和延遲微帶線構成. 天線各部分尺寸如表 1 所示.

(a) 頂層結構

表 1 天線各部分尺寸

1.2 饋電網(wǎng)絡設計

對于具有N個單元的OAM圓形相控陣， 所有輻射單元的激勵信號需要幅度相同， 但具有不同的相移增量φm=2πml/N(N為陣元個數(shù)，m為第m個陣元，l為OAM渦旋波的輻射模式). 陣元的數(shù)目決定了陣列天線可以產(chǎn)生的OAM模態(tài)最大值， 即一個N元陣列天線可以產(chǎn)生的OAM模式數(shù)取值范圍為-N/2

圖 2 陣列天線相位要求

對于生成OAM模式l=+1的陣列天線， 由于天線陣列下半部分是由上半部分中心旋轉得到， 因此， 可以為下半部分貼片單元提供額外的180°相移， 天線陣列中8個貼片相位差和饋電網(wǎng)絡之間相位差具有如下關系

(1)

饋電網(wǎng)絡如圖 3(a) 所示， 由延遲微帶線和等功率分配器組成. 端口1為輸入端口， 端口A1-F1是貼片饋電的8個端口， 從輸入端口到A1-D1端口的微帶線長度依次加長λ/8(λ為介質中的波長)， 用來實現(xiàn)45°的相位延遲， 同時采用λ/8的U型微帶線， 用來減小饋電網(wǎng)絡的尺寸.

文獻[11]介紹了一種產(chǎn)生OAM渦旋波的方法， 對于生成OAM模式l=-2的陣列天線， 為了減小饋電網(wǎng)絡的尺寸， 第i個貼片的旋轉角度

(2)

式中：m=fix(φi,180°)，fix(a,b)定義為取a/b的整數(shù)部分的函數(shù)，φi為第i個天線單元貼片. 饋送信號的相對相位

(3)

(4)

其中， 天線陣元相位差360°表現(xiàn)為貼片不旋轉， 相位差540°表現(xiàn)為貼片旋轉180°， 饋電網(wǎng)絡如圖 3(b) 所示， 端口2為輸入端口， 端口A2-H2是貼片饋電的8個端口， 從輸入端口到B2,D2,F2,H2的微帶線長度分別比到A2,C2,E2,G2的長度長λ/4， 用來實現(xiàn)90°的相位延遲.

(a) l=+1模饋電網(wǎng)絡

通過使用三維電磁仿真軟件HFSS進行仿真分析， 圖 4 和圖 5 顯示了兩個饋電網(wǎng)絡的S參數(shù)， 可以看到在中心頻率5.5 GHz附近每個饋電網(wǎng)絡輸出端口間的幅度基本一致，l=+1模饋電網(wǎng)絡的端口間相移差45°， 誤差±1.3°，l=-2模饋電網(wǎng)絡的端口間相移差為-90°， 誤差±1.8°.

(a) 幅度

(a) 幅度

2 仿真與測試結果

將饋電網(wǎng)絡與輻射貼片組成如圖 1 所示的陣列天線. 通過HFSS對天線進行仿真分析， 圖 6(a) 顯示了單個輻射貼片和陣列天線的S參數(shù)， 可以看到， 單個輻射貼片的-10 dB帶寬為200 MHz.

(a) 單個輻射貼片和陣列天線的S參數(shù)

由于每個天線單元上接收到的電壓信號會在自身天線單元上感應出電流信號， 而這個電流信號反過來又會激勵出一個電磁場去影響相鄰天線單元上的信號， 這種情況下， 天線單元之間產(chǎn)生了互耦效應. 正是因為天線單元之間的互耦效應， 在頻帶內產(chǎn)生了多個相近的諧振頻率， 所以， 展寬了陣列天線的帶寬. 仿真結果顯示， 生成OAM模式l=+1和l=-2模的天線陣列帶寬分別為 800 MHz 和650 MHz. 從圖 6(b) 中可以看到在所工作頻段內S21和S12均小于-32.5 dB， 說明兩個輸入端口之間耦合很低， 具有良好的隔離度.

圖 7 和圖 8 給出了兩種模式的電場幅度和相位分布圖， 在模式l=+1的OAM波電場幅值圖和電場相位分布圖中可以觀察到一個渦旋， 相位從360°變化到0°， 在模式l=-2的OAM波電場幅值圖和電場相位圖觀察到兩個渦旋， 相位從0°變化到720°.

(a) 電場幅度圖

天線的輻射方向圖如圖 9 所示， 從輻射方向圖可以看出， 在渦旋電磁波束傳播中心出現(xiàn)中央空洞現(xiàn)象，l=+1模和l=-2模的最大增益分別為5.84 dBi和4.07 dBi.l=+1模的最大波束角在25°～26°范圍內， 相應的3 dB波束帶寬約為30°；l=-2的最大波束角在25.5°～26.5°范圍內， 相應的3 dB波束帶寬約為18.5°.

(a) 電場幅度圖

(a) l=+1模的輻射方向圖

根據(jù)上述分析結果， 加工制作了提出的雙模渦旋波陣列天線， 如圖 10 所示， 天線的整體尺寸為125 mm×125 mm. 對天線進行測試， 圖 11 為仿真與測量的S參數(shù)曲線， 由于天線加工過程中存在的不足， 測得生成OAM模式l=+1模和l=-2模的天線陣列帶寬分別為780 MHz和 610 MHz. 圖 12 為仿真與測量的S12,S21曲線. 測試結果表明， 在工作頻段內， 輸入端口間的隔離度大于32.5 dB， 測量結果與仿真結果吻合較好.

(a) 天線頂層

(a) l=+1模的仿真和實測S11

圖 12 天線的仿真和實測S12, S21參數(shù)

3 結 論

本文設計了一種可生成兩種模態(tài)軌道角動量渦旋電磁波的陣列天線， 通過調節(jié)每個陣列天線的相移饋電網(wǎng)絡， 生成了+1模和-2模兩種模態(tài)的OAM渦旋波， 并且利用陣列天線貼片之間的耦合展寬了陣列天線的帶寬， 測試結果表明， 生成兩種模式時天線的帶寬分別為780 MHz和 610 MHz， 天線結構緊湊并且兩個端口之間具有很好的隔離度.