摘要：軌道角動(dòng)量(OAM）技術(shù)為無線通信系統(tǒng)提供了新的調(diào)制維度，成為解決頻譜資源短缺問題的有效方法。提出了一種新穎的OAM陣列天線，利用介質(zhì)諧振器陣列天線產(chǎn)生OAM波束。仿真結(jié)果表明，此OAM陣列天線半徑的大小直接影響OAM波束的效果，同時(shí)合適的饋電位置以及饋電方式在一定程度上可以改善中央空域問題和提高OAM波束遠(yuǎn)距離傳輸質(zhì)量。此OAM陣列天線體積小、介質(zhì)材料選取廣泛，能夠解決環(huán)形OAM微帶陣列天線高頻段輻射陣元損耗高、低頻段幾何尺寸大的難題，對(duì)OAM陣列天線在未來無線通信領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用提供了新的參考價(jià)值。

0 引言

近年來，頻譜資源利用率低已成為無線通信技術(shù)發(fā)展迫切需要解決的瓶頸問題，多種分集技術(shù)(如空間分集、極化分集、頻率分集等)已經(jīng)成功被用來傳輸數(shù)據(jù)，以提高頻譜效率。但傳統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)僅使用頻率、時(shí)間、碼型和空間等資源作為自由度，它們的調(diào)制能力是有限的。OAM渦旋電磁波的復(fù)用技術(shù)可以在同一頻點(diǎn)下實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的同時(shí)傳輸[1]，它作為一個(gè)有發(fā)展前景的方法，對(duì)解決頻譜利用率低、頻譜資源短缺等問題提供了一定的研究思路，帶來了不可估量的研究?jī)r(jià)值。

軌道角動(dòng)量（Orbital Angular Momentum，OAM）表征出具有相位因子為exp(jlφ)的螺旋相位波前結(jié)構(gòu)的自然屬性[2]。OAM作為一種不同于相位、幅度、極化的調(diào)制維度被引入到無線通信中，可以有效地提高通信系統(tǒng)的容量和效率。螺旋透鏡[3]、超表面[4]、螺旋相位板[5]等光領(lǐng)域OAM波束的產(chǎn)生方法很難全部應(yīng)用于微波段的無線通信系統(tǒng)中，探索合適的微波段OAM波束產(chǎn)生方式顯得尤為重要。2013年，TAMBURINI F等人基于螺旋拋物面天線進(jìn)行了OAM無線通信實(shí)驗(yàn)[6]，證明了利用OAM渦旋電磁波進(jìn)行無線通信以及增加無線傳輸容量的可行性；2014年，BAI Q等人利用8個(gè)相同的矩形微帶貼片組成圓形相控陣天線產(chǎn)生OAM波束[7]；2015年，BAI X等人用三極化圓喇叭陣列天線生成了OAM波束[8]；2016年，KANG M S等人采用配置了8路均勻功率分配器的圓形陣列天線產(chǎn)生模式數(shù)l=1的OAM波束[9]。此后，更多關(guān)于OAM天線和OAM波束生成的方法被提出[10-11]。然而，尺寸小、輻射效率高才是OAM陣列天線使用時(shí)考慮的主要因素。利用上述微帶陣列天線產(chǎn)生OAM波束時(shí)，由于輻射陣元是微帶貼片，其在低頻段天線幾何尺寸大，不易實(shí)現(xiàn)小型化；高頻段金屬歐姆損耗又高，輻射效率低；而螺旋拋物面天線結(jié)構(gòu)單一且只能產(chǎn)生低階模式數(shù)的OAM波束，在實(shí)際通信系統(tǒng)中，其利用價(jià)值將受到嚴(yán)重限制。因此，探索一種低損耗、小體積、易加工的OAM陣列天線對(duì)未來微波通信的發(fā)展具有重要意義。

介質(zhì)諧振器天線由低損的微波介質(zhì)材料構(gòu)成，合適的高介電常數(shù)可以降低天線的實(shí)際尺寸，其饋電方式又多種多樣，比較適合應(yīng)用于OAM陣列天線。本文基于有耗環(huán)形天線相關(guān)理論，建立有耗環(huán)形介質(zhì)諧振器陣列天線的等效模型，提出了一種采用介質(zhì)諧振器陣列天線產(chǎn)生OAM波束的新方式。對(duì)此OAM陣列天線進(jìn)行了仿真優(yōu)化并分析了相關(guān)性能參數(shù)，分析了不同陣列半徑對(duì)3D遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖效果的影響，在此基礎(chǔ)上探索了介質(zhì)諧振器陣列天線不同饋電位置和不同饋電方式對(duì)生成OAM波束的影響。

1 陣列天線模型及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 有耗環(huán)形陣列天線等效模型

理想環(huán)形陣列天線模型不能準(zhǔn)確描述實(shí)際情況，因?yàn)榄h(huán)形陣列天線的損耗是無法避免的，所以環(huán)上的電流強(qiáng)度不可能一直保持恒定不變。因此，建立有耗環(huán)形陣列天線等效模型來說明其產(chǎn)生OAM波束的原理更為合理。環(huán)形陣列天線模型如圖1所示。

1.2 陣列天線設(shè)計(jì)

單元介質(zhì)諧振器天線的側(cè)視圖與俯視圖如圖2所示。在接地面開一個(gè)矩形耦合槽，開槽中心與輻射單元的中心重合。電流在微帶線中傳遞時(shí)被矩形槽切斷，將能量耦合到介質(zhì)諧振器天線中，產(chǎn)生輻射。介質(zhì)諧振器天線垂直放置于矩形槽縫隙上，微帶線垂直通過矩形槽的中心位置，因?yàn)檫@樣槽的輻射阻抗最大，會(huì)使更多能量饋入介質(zhì)諧振器天線中。

圖2中，①表示單元介質(zhì)諧振器天線，由陶瓷填料的聚四氟乙烯復(fù)合材料構(gòu)成，其介電常數(shù)ε1=38.9，底面半徑為R=2.86 mm，高度為H1=2.51 mm；②表示接地面；③表示材料是Rogers RT/duroid 5880(tm)的介質(zhì)基板，基板的厚度H2=1 mm，其相對(duì)介電常數(shù)ε2=2.65，損耗角正切值為0.02；④表示饋電微帶線，由于50 Ω的微帶線寬度約為2.4 mm，微帶線的寬度太寬會(huì)影響天線的性能，因此選取特性阻抗為100 Ω，寬度為W=0.72 mm，再進(jìn)行阻抗匹配變換即可得到50 Ω阻抗匹配。微帶線伸出矩形槽的長(zhǎng)度LS會(huì)直接影響天線的匹配和回波損耗，通過不斷地仿真優(yōu)化，最終發(fā)現(xiàn)LS=2.5 mm時(shí)能達(dá)到最優(yōu)效果；⑤表示同軸饋電端口；⑥表示在接地面上開的矩形槽，其長(zhǎng)度和寬度分別為L(zhǎng)f=5 mm、Wf=1.4 mm。矩形槽長(zhǎng)度和寬度的變化，會(huì)對(duì)天線的阻抗匹配和增益特性造成一定影響。在設(shè)計(jì)開槽尺寸時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮開槽長(zhǎng)度的影響。因?yàn)殚_槽長(zhǎng)度Lf對(duì)天線起主要的影響，它不僅影響天線的阻抗匹配和諧振頻率，還影響天線回波損耗。開槽寬度Wf對(duì)諧振頻率和回波損耗影響較小，主要影響天線的阻抗匹配。

2 仿真與分析

圖3(a)表示陣列天線的回波損耗S11，在中心工作頻率10.5 GHz處參數(shù)達(dá)到-32.73 dB；圖3(b)表示電壓駐波比VSWR，陣列天線在中心工作頻率10.5 GHz處達(dá)到了1.1，而且電壓駐波比VSWR的參數(shù)在中心頻率附近均小于1.5，所以此OAM陣列天線阻抗匹配良好且各輻射陣元的諧振頻率具有良好的一致性，滿足天線設(shè)計(jì)的性能要求。

圖4表示不同陣列半徑產(chǎn)生模態(tài)值l=1、2、3的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖（λg為介質(zhì)中的波長(zhǎng)）?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著模態(tài)值l的增加，中心空域逐漸變大；陣列半徑在一定范圍內(nèi)，半徑稍大，介質(zhì)諧振器陣列天線輻射的OAM波束效果越好。

圖5表示陣列半徑為的不同饋電位置所產(chǎn)生模態(tài)值為l=1、2、3的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖。對(duì)比可知：按照?qǐng)D5(b)的饋電位置排列饋電時(shí)，中央空域有所減小，尤其在模態(tài)值l=3的情況下，空域減小更為明顯。圖6分析了按照?qǐng)D5中兩種饋電位置排列饋電時(shí)增益方向圖的變化，選取模態(tài)值l=1、2對(duì)比發(fā)現(xiàn)：按照?qǐng)D5(b)方式排列饋電位置，它所輻射的各模態(tài)的總增益都要比按照?qǐng)D5(a)方式排列饋電位置的總增益要強(qiáng)。因此，采用介質(zhì)諧振器陣列天線產(chǎn)生OAM波束時(shí)，選擇合適的饋電位置對(duì)減小中央空域問題有一定的幫助。

對(duì)圖5中的(a)與(b)選取模態(tài)值l=2的情況對(duì)比發(fā)現(xiàn)，OAM波束在旋轉(zhuǎn)時(shí)它的中心空域是幾乎恒定不變的；若利用圖7中的同軸探針饋電方式產(chǎn)生模態(tài)值l=2的OAM波束時(shí)，其在旋轉(zhuǎn)傳播時(shí)中心空域會(huì)逐漸擴(kuò)張且愈發(fā)明顯，這就導(dǎo)致OAM渦旋電磁波在傳播過程中，波前主輻射方向出現(xiàn)輻射零點(diǎn)且隨通信距離的增加出現(xiàn)能量擴(kuò)散現(xiàn)象，這對(duì)OAM渦旋電磁波的接收提出了更高的要求。所以選取合適的饋電方式在一定程度上可以提高OAM天線的接收性能以及解決OAM信號(hào)遠(yuǎn)距離高質(zhì)量傳輸問題。

3 結(jié)論

本文基于有耗環(huán)形天線相關(guān)理論及其等效模型，提出了OAM介質(zhì)諧振器陣列天線。通過仿真優(yōu)化分析了天線的相關(guān)性能參數(shù)，發(fā)現(xiàn)陣列半徑在一定范圍內(nèi)，半徑越大，這種OAM天線的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖效果越好；同時(shí)通過對(duì)不同饋電位置的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖和增益方向圖分析，發(fā)現(xiàn)用此種OAM天線產(chǎn)生OAM渦旋電磁波時(shí)，合適的饋電位置對(duì)解決中央空域問題有一定的幫助。在此基礎(chǔ)上，以模態(tài)值l=2的情況探索了OAM介質(zhì)諧振器陣列天線采用不同饋電方式對(duì)產(chǎn)生的OAM波束的影響，結(jié)果表明：利用同軸探針饋電時(shí)，發(fā)射中心的中心空域會(huì)逐漸擴(kuò)張，能量出現(xiàn)擴(kuò)散，所以合理的饋電方式在一定程度上可以提高OAM波束遠(yuǎn)距離傳輸質(zhì)量，對(duì)加快OAM天線的發(fā)展以及將其應(yīng)用于實(shí)際無線通信系統(tǒng)具有一定的重要意義。