李 強(qiáng)，孫學(xué)宏,3，龐丹旭，劉麗萍

(1.寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院,寧夏銀川 750021; 2.寧夏沙漠信息智能感知重點實驗室,寧夏銀川 750021;3.北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院,北京 100876)

基于多模態(tài)OAM渦旋電磁波的L波段寬頻陣列天線設(shè)計

李 強(qiáng)1,2，孫學(xué)宏1,2,3，龐丹旭1,2，劉麗萍1,2

(1.寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院,寧夏銀川 750021; 2.寧夏沙漠信息智能感知重點實驗室,寧夏銀川 750021;3.北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院,北京 100876)

頻譜資源緊缺已成為無線通信技術(shù)發(fā)展的瓶頸.本文通過控制陣元間饋電相位差將軌道角動量(orbital angular momentum)技術(shù)應(yīng)用于陣列天線中，利用L型探針饋電微帶貼片天線沿圓周等距排列設(shè)計出一種工作頻段在1.35GHz～1.86GHz，相對帶寬達(dá)到31.8%的8陣元渦旋電磁波寬頻微帶天線.仿真實驗表明，該天線可以產(chǎn)生具有多模態(tài)軌道角動量的渦旋電磁波，當(dāng)用于移動通信系統(tǒng)的發(fā)射端，它能夠?qū)崿F(xiàn)在同一時間、同一頻率下的多路信號傳輸，提高了系統(tǒng)的容量和傳輸速率.

軌道角動量；L波段；陣列天線；寬頻；渦旋電磁波；頻譜效率

1 引言

近年來，隨著無線電技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，頻譜資源日益緊張[1]，如何充分利用有限的頻譜資源并滿足快速增長的頻率需求成為亟需解決的關(guān)鍵問題[2,3].目前已經(jīng)涌現(xiàn)了若干技術(shù)用來改善頻譜效率，其中最近提出的軌道角動量(Orbital Angular Momentum，OAM)技術(shù)引起了廣泛研究.OAM技術(shù)是以O(shè)AM的模式作為信號分割的參量，利用不同OAM模態(tài)之間渦旋電磁波的正交性，以不同OAM值的渦旋電磁波作為載波，將多路信息分別調(diào)制到不同OAM值的電磁波上在同一頻點編碼發(fā)送進(jìn)行復(fù)用傳輸，可以作為一種提高信道容量和頻譜效率的潛在方法[4,5].

電磁波可以攜帶能量和角動量，其中角動量包括自旋角動量(Spin Angular Momentum，SAM)和軌道角動量[6].當(dāng)波束中含有與角向相關(guān)的位相分布，且依賴于場空間分布的角動量稱之為OAM.與電場極化相關(guān)的角動量定義為SAM，1909年P(guān)oynting從理論上進(jìn)行了預(yù)測[7]，并在1936年由Beth基于圓偏振光實驗得以驗證[8].在1992年之前OAM并沒有引起太多的關(guān)注，直到Allen等人研究認(rèn)為OAM是所有螺旋相位波束的一種自然屬性，每個攜帶OAM的光子l?包含一個方位角相位項exp(-ilφ)，其中l(wèi)是拓?fù)潆姾蓴?shù)，φ是方位角，?是普朗克常數(shù)[9].因此，普通電磁波的軌道角動量模式為0，其波前為均勻平面波.如果電磁波的模式不為0，其呈現(xiàn)出螺旋狀等相位面的特殊波前結(jié)構(gòu)，稱為渦旋電磁波.渦旋波束的相位波前繞渦旋中心旋轉(zhuǎn)一周，相位改變2π，稱其模式為1；相位改變4π，稱其模式為2；相位改變6π，稱其模式為3，以此類推.所以，同一頻率的電磁波擁有無窮多種模式，頻譜利用率可以大大提高.

2007年，Thidé等人證明了利用矢量天線陣可以產(chǎn)生OAM渦旋電磁波，首次提出在較低頻率下將OAM應(yīng)用于無線電通信[10].2012年，Tamburini等人利用兩種不同OAM模態(tài)對電磁波進(jìn)行編碼，同一頻率下實現(xiàn)442m距離的信息傳遞，第一次用實驗證明了OAM無線通信傳輸應(yīng)用在實際中的可行性[11,12].根據(jù)上述研究成果，OAM波束可通過幾種方法生成，如階梯狀螺旋相位板[13]、螺旋拋物面天線[14]、圓形相控陣天線[15～17]和時變陣列天線[18,19].相比其他OAM波束生成方法，微帶陣列天線具有重量輕、低剖面、易于制造等優(yōu)點，適用于無線通信傳輸[20].與此同時，微帶天線也是一種諧振式天線[21]，其高Q值的諧振特性會使輸入阻抗對頻率的變化極度敏感，導(dǎo)致其工作頻帶較窄，大約僅為0.6%～3%，這成為微帶天線廣泛應(yīng)用于無線通信的主要障礙[22].

針對微帶天線帶寬窄的缺點，本文深入研究了寬頻微帶陣列天線的設(shè)計方法，利用L型探針饋電微帶貼片天線作為陣元，并通過改變陣元之間的饋電相位差將OAM技術(shù)應(yīng)用于陣列天線中，基于HFSS電磁仿真軟件設(shè)計出一款工作在L波段的8陣元多模態(tài)OAM渦旋電磁波微帶陣列天線，其工作頻段在1.35GHz～1.86GHz，相對帶寬達(dá)到31.8%，可以在同一頻點產(chǎn)生具有多種OAM模態(tài)(l=0，l=±1，l=±2，l=±3)特性的渦旋電磁波.由仿真結(jié)果可以看出，該陣列天線能夠在仿真實驗的條件下產(chǎn)生不同OAM模態(tài)值的渦旋電磁波.最后，給出陣列天線所產(chǎn)生的不同OAM模態(tài)值渦旋電磁波的增益、三維輻射圖及電場幅度圖等特性參數(shù)，為下一步將實際的OAM渦旋電磁波陣列天線設(shè)計應(yīng)用于OAM無線電通信系統(tǒng)提供了理論與實驗依據(jù).

2 陣列天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了解決微帶陣列天線帶寬較窄的應(yīng)用限制問題，越來越多拓展帶寬的方法被研究學(xué)者提出，其中采用L型探針饋電的方式引起學(xué)術(shù)界的關(guān)注.基于這種技術(shù)，本文從傳統(tǒng)的微帶貼片天線出發(fā)，針對微帶天線窄帶寬的這種特點，設(shè)計出寬頻帶特性L型探針饋電微帶天線作為陣元組成寬頻微帶陣列天線，其結(jié)構(gòu)如圖1所示.利用L型探針饋電技術(shù)能夠有效解決阻抗帶寬較窄的問題，實現(xiàn)微帶陣列天線的寬頻功能.

L型探針饋電微帶天線的輻射機(jī)理為：L型探針?biāo)讲糠趾唾N片之間可以產(chǎn)生容抗，垂直部分和貼片之間會產(chǎn)生感抗，兩者相互作用將會發(fā)生諧振，能夠使天線呈現(xiàn)多頻帶或者寬頻帶特性.當(dāng)L型探針連接同軸饋線時，在探針上將會產(chǎn)生交變的電場，電場方向為沿探針?biāo)剿阜较?，同時交變電場將會產(chǎn)生變化的磁場，磁場方向與電場方向相互垂直.當(dāng)磁感線垂直透過微帶貼片時，磁場又將會產(chǎn)生變化的電場.最后，經(jīng)過接地板反射出去，變化的電磁場就以這種方式輻射到外部空間.

對于一個介質(zhì)基板的厚度為h，工作頻率為f的微帶天線，其貼片的寬度和長度為：

(1)

(2)

其中，c為光速，εe是等效介電常數(shù)，且有

(3)

(4)

在本文中L型探針饋電微帶貼片天線陣元采用同軸饋電方式，以便產(chǎn)生良好的阻抗匹配，如圖2陣列天線設(shè)計模型所示，根據(jù)式(1)～(4)，其貼片的大小為W×L=70mm×70mm，探針半徑r=0.5mm，高度h=13.8mm，探針?biāo)奖坶L度Lv=33mm，8個陣元以半徑λ=187.5mm，沿圓周等間隔均勻分布排列組成一個圓形陣列，相鄰兩個陣元間的夾角θ=45°，各陣元制作在同一基板上，基板半徑比陣列的半徑大λ/4，基板的厚度h=20mm，介質(zhì)材料為真空，陣列設(shè)計參數(shù)如表1所示.

本文所提出的8陣元圓形陣列天線，通過圓形陣列的陣元間具有固定的相位差Δφ=2πl(wèi)/N來生成OAM模態(tài)，其中l(wèi)為需要產(chǎn)生的OAM模態(tài)值，N為陣元數(shù)[23].為了實現(xiàn)同一陣列在不同的拓?fù)浜芍g自由切換，我們通過射頻開關(guān)控制陣列中的8個陣元被依次通電，陣元間饋電相位依次遞增或遞減Δφ，饋電相位差Δφ不同，產(chǎn)生的OAM模態(tài)隨之不同.

表1 陣列天線設(shè)計參數(shù)

3 仿真結(jié)果及分析

對于一個N元OAM圓形陣列天線，所有的輻射陣元都是饋送相同相移增量的信號，電磁波圍繞陣列軸線旋轉(zhuǎn)一周，相位將遞增2πl(wèi)的幾何弧度，由此可以生成“扭曲”的OAM電磁波.

由圖3陣列天線主要性能參數(shù)中(a)回波損耗S11，可以看出各陣元的諧振頻率具有良好的一致性，陣元間的互耦效應(yīng)相對較小，這表明陣列天線的10dB帶寬覆蓋1.35GHz到1.86GHz，同時由圖3(b)陣列天線

的電壓駐波比可以看出，在天線的工作頻帶1.35GHz～1.86GHz之間，陣列天線的電壓駐波比均小于2，性能符合要求.

當(dāng)陣元分別被饋送功率大小相等、連續(xù)相位變化分別為0°，±45°，±90°和±135°的信號時，OAM模態(tài)值分別對應(yīng)為l=0，l=±1，l=±2，l=±3.圖4所示為陣列半徑為λ時，七種不同OAM模態(tài)下陣列天線的三維輻射模式圖.當(dāng)OAM模態(tài)值l=0時，主瓣方向幾乎與天線陣面垂直，電磁波能量主要沿陣列的軸線方向輻射；當(dāng)OAM模態(tài)數(shù)l=±1時，在軸線方向上將會出現(xiàn)波束中空現(xiàn)象，這是由于每相鄰的一對貼片陣元都不同相造成的，波束也因此攜帶軌道角動量形成空間螺旋相位波前結(jié)構(gòu).隨著OAM模態(tài)值的增加，波束中空部分的面積也變大，旁瓣增大并發(fā)展成主瓣，陣列的方向性隨之減弱.結(jié)果進(jìn)一步表明，較大的OAM模式數(shù)可以減小陣列天線的增益，并增加軸線方向上中空區(qū)域的面積，這是我們將來在通信系統(tǒng)接收端選擇OAM檢測區(qū)域時必須要考慮的.

如圖5所示為OAM模態(tài)值分別為l=0、l=±1、l=±2和l=±3的不同數(shù)值下，在諧振頻率點附近OAM渦旋電磁波微帶陣列天線在方向角分別為φ=0°和φ=90°時的增益變化示意圖.由該陣列天線的仿真增益曲線可知，在工作頻帶內(nèi)該陣列天線增益與S11、三維輻射圖吻合較好，較大的OAM模式數(shù)可以減小陣列天線的增益，并增加軸線方向上中空區(qū)域的面積，方向性也隨之變得發(fā)散，這也是我們下一步將OAM陣列天線應(yīng)用于實際通信系統(tǒng)中，在接收端選擇OAM檢測區(qū)域時必須要應(yīng)對的.根據(jù)經(jīng)典電磁理論，隨著信號傳輸距離的增加，波束的相位結(jié)構(gòu)不會發(fā)生改變.因此，渦旋電磁波在理論上具有旋轉(zhuǎn)性和完全對稱性，即在θ=0°兩側(cè)附近的曲線應(yīng)該完全對稱.然而由圖5不同OAM模態(tài)增益圖可以發(fā)現(xiàn)，由于本文采用的是L型探針饋電微帶貼片天線作為陣元，曲線并不能完全滿足嚴(yán)格對稱.微帶貼片天線是一種非理想意義的天線，其具有一定的幾何結(jié)構(gòu)以及所選用的材料并非理想材料，陣元與陣元之間難免會產(chǎn)生耦合干擾，從而導(dǎo)致電磁波曲線并不具備完全旋轉(zhuǎn)對稱性.

根據(jù)前文所討論的，OAM波束最關(guān)鍵的特征是其電場具有螺旋相位波前結(jié)構(gòu).圖6所示為不同OAM模態(tài)值的電場幅度分布情況，可以看出OAM模態(tài)分別為l=±1、l=±2和l=±3的空間螺旋相位波前結(jié)構(gòu)清晰可見，OAM波束具有明顯的空間螺旋相位結(jié)構(gòu)特征.當(dāng)OAM模態(tài)數(shù)l=0時，所有陣元饋送相同的零相移信號，這時并沒有螺旋相位波前，可以看作為一個均勻圓陣.當(dāng)OAM模態(tài)數(shù)l=+1時，意味著在兩個相鄰陣元間的相位差為+45°，可以產(chǎn)生逆時針的螺旋相位波前；同理當(dāng)l=-1時，兩個相鄰陣元間的相位差為-45°，可以產(chǎn)生順時針的螺旋相位波前.也可以觀察到，當(dāng)OAM模態(tài)從±1提高到±3時，波束中心處的空區(qū)域?qū)U(kuò)大，其方向性也會隨OAM模態(tài)數(shù)目產(chǎn)生變化.同時，當(dāng)OAM模態(tài)數(shù)增大到l=±3時，渦旋波束相位分布出現(xiàn)了不規(guī)則的變形，由于陣元的數(shù)目決定所能產(chǎn)生的OAM模態(tài)的最大值，即存在陣元數(shù)目的有限性，陣元數(shù)目—定，陣列能夠產(chǎn)生的OAM模態(tài)值也限制在一定范圍內(nèi)，N個陣元的陣列天線理論上可生成OAM模式最大值Lmax，可以通過公式-N/2

多模態(tài)OAM微帶陣列天線的增益、帶寬、方向圖等多項技術(shù)指標(biāo)是相互聯(lián)系、相互影響的，會存在顧此失彼的情況，基于本文的仿真實驗結(jié)果，在下一步實際設(shè)計應(yīng)用中要按工程需要找出一個平衡點.值得注意的是，依靠特定的天線技術(shù)產(chǎn)生渦旋電磁波是實現(xiàn)OAM復(fù)用的基礎(chǔ)，采用OAM復(fù)用技術(shù)后，無線通信系統(tǒng)的容量可以顯著增大.由于OAM電磁波自身的屬性因素，將OAM用于無線通信時，最大的問題是其輻射主軸上能量為零，在經(jīng)過一段距離傳播后，需要用超大口徑(或分布式)天線才能檢測、分辨不同模態(tài)的OAM，這為陣列天線的設(shè)計和應(yīng)用增加了相當(dāng)大的難度.此外，如果將OAM電磁波用于衛(wèi)星通信和短波通信，還需要考慮大氣的非均勻性和電離層的影響.

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一款工作在L波段的多模態(tài)軌道角動量新型微帶寬頻陣列天線.該陣列的突出優(yōu)點是不僅可以實現(xiàn)高帶寬，而且還可以通過改變陣元之間的饋電相位差來產(chǎn)生具有多種模態(tài)軌道角動量特性的渦旋電磁波，仿真實驗結(jié)果表明多種OAM模態(tài)渦旋波束可以由該陣列天線生成.但在OAM的產(chǎn)生方式中，陣列天線的實現(xiàn)難度較大，現(xiàn)在僅有一些仿真結(jié)果，驗證的條件尚不具備，需要進(jìn)一步的深入研究.

微帶陣列天線以其獨特的結(jié)構(gòu)和功能優(yōu)勢，具有廣闊的應(yīng)用前景，如何設(shè)計出高增益、小型化、多極化、多頻段的陣列天線成為無線通信領(lǐng)域的研究方向[24].同時，在非理想的傳播環(huán)境下，將OAM技術(shù)用于無線通信存在旋轉(zhuǎn)率畸變的可能性，以及如何實現(xiàn)軌道角動量陣列天線的全向覆蓋、高增益等諸多問題，需要我們從理論和實踐上共同努力，不斷探索并尋求解決方案.

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李 強(qiáng) 男，1989年生于山東臨沂.現(xiàn)為寧夏大學(xué)物理電氣信息學(xué)院碩士研究生.研究方向為寬帶無線通信技術(shù).

E-mail:yl-lee-q@163.com

孫學(xué)宏(通信作者) 男，1974年生于寧夏靈武.現(xiàn)為北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院博士研究生，寧夏大學(xué)物理電氣信息學(xué)院副教授、碩士生導(dǎo)師.研究方向為新一代寬帶無線通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò).

E-mail:sunxh@bupt.edu.cn

龐丹旭 男，1992年生于陜西咸陽.寧夏大學(xué)物理電氣信息學(xué)院碩士研究生.研究方向為寬帶無線通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò).

E-mail:pdx19920405@163.com

劉麗萍 女，1972年生于寧夏石嘴山.現(xiàn)為寧夏大學(xué)物理電氣信息學(xué)院教授、碩士生導(dǎo)師.研究方向為新一代寬帶無線通信技術(shù).

E-mail:liuliping8186@126.com

The Design of L Band Broadband Array Antenna Based on Multi-modal OAM Vortex Electromagnetic Wave

LI Qiang1,2,SUN Xue-hong1,2,3,PANG Dan-xu1,2,LIU Li-ping1,2

(1.SchoolofPhysicsandElectronic-ElectricalEngineering,NingxiaUniversity,Yinchuan,Ningxia750021,China; 2.KeyLaboratoryofIntelligentSensingforDesertInformation,Yinchuan,Ningxia750021,China; 3.SchoolofInformationandCommunicationEngineering,BeijingUniversityofPostsandTelecommunications,Beijing100876,China)

The shortage of spectrum resources becomes a bottleneck in the development of wireless communication.This paper applies the technology of orbital angular momentum (OAM) to the design of array antenna and uses the microstrip patch antenna with feeding type of L probe as an element.The elements are arranged along the circumference equidistantly to present an 8-element broadband microstrip array antenna generating multi-modal OAM vortex electromagnetic waves and the adjacent elements are fed with the different phases.The operating frequency band of the antenna ranges from 1.35GHz to 1.86GHz,and meanwhile,the relative bandwidth can reach 31.8%.Experiment results show that the array antenna can generate electromagnetic waves with characteristic of multi-modal orbital angular momentum.When it is placed in the transmitting terminal of wireless communication system,the multiple signals can be transmitted on the same frequency simultaneously,which improves the transmission rate and capacity of the communication system.

orbital angular momentum;L band;array antenna;broadband;vortex electromagnetic wave;spectrum efficiency

2015-09-01;

2016-01-27;責(zé)任編輯:覃懷銀

國家自然科學(xué)基金(No.61561039,No.61461044);寧夏自然科學(xué)基金(No.NZ201405)

TN822

A

0372-2112 (2016)12-2954-06

??學(xué)報URL:http://www.ejournal.org.cn

10.3969/j.issn.0372-2112.2016.12.020