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）就是突破這個瓶頸的方法之一。近年來有研究表明，攜帶軌道角動量的渦旋電磁波系統(tǒng)是一種非平面?zhèn)鞑サ牟?。攜有軌道角動量（OAM）的電磁波具有ejlθ的螺旋相位結(jié)構(gòu)，其中l(wèi)是一個無界整數(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)域的一個研究熱點。

電磁波不僅能攜帶能量，還可以攜帶角動量，其中角動量又可以分為軌道角動量［1］及自旋角動量（Spin Angular Momentum，SAM），OAM指的是依賴于場分布的角動量。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驗，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?；?012年他們進(jìn)一步展開了電磁波的抗干擾性能驗證實驗，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)研究了幾種實現(xiàn)單模或多模的OAM波束的方法，但對雙頻OAM天線的研究卻很少。如果基于OAM通信系統(tǒng)能夠在兩個頻帶上工作，則通信系統(tǒng)容量將會再上一個臺階。本文的研究目的就是希望能夠填補這一空白。

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)計了一種相控陣列天線，使其可以工作在兩個頻段范圍內(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

本文設(shè)計的相控陣列天線是由8個陣元（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)計之初，先通過相關(guān)的公式進(jìn)行計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為同軸饋電線饋點距原點的距離；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；Rin為同軸饋電線的半徑；Rout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。該陣列天線的兩個諧振頻率分別落在21 GHz和27 GHz，對應(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，對于模態(tài)值l=0，l=±1，l=±2，l=±3的，8個陣元分別按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，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，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，這是由于兩個相鄰的陣元之間的相位存在45°的差異，當(dāng)l=-1時，相鄰的兩個陣元的相位相差-45°，該天線陣列能產(chǎn)生順時針的螺旋相位波前；當(dāng)l=-1時，相鄰的兩個陣元之間的相位相差45°，該陣列天線能產(chǎn)生逆時針的螺旋相位波前。當(dāng)l從±1升高到±3時，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，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，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，渦旋電磁波的能量比21 GHz時更集中。實際上OAM波束中心空域的電場強度很小，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OAM波束信號進(jìn)行檢測和接收時，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，模態(tài)值l=0，1，2，3的OAM對應(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)性和對稱性，即當(dāng)=0°時，天線的方向性應(yīng)該是對稱的。通過對比圖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，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；同時每個OAM模態(tài)值對應(yīng)的電場增益方向圖的對稱性良好， 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；而各個模態(tài)的電場增益方向圖的對稱性很好，這些都體現(xiàn)了OAM 波束具有旋轉(zhuǎn)性和對稱性［10－11］，這就驗證了理論。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，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。

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)計了一款可以同時在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，易于實用。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渦旋電磁波信號等困難，對于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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