陳思宇 熊麗 黃銘

摘 ?要： 可用于無線通信具有軌道角動(dòng)量（OAM）的渦旋電磁波因其可在同一頻率上同時(shí)傳輸多個(gè)信號(hào)而備受關(guān)注。然而，大多數(shù)產(chǎn)生OAM的方法結(jié)構(gòu)較復(fù)雜或成本較高。文中創(chuàng)新性地提出一種產(chǎn)生OAM由三個(gè)圓環(huán)形貼片組成的貼片天線，這種圓環(huán)組貼片天線要優(yōu)于之前提出過的相控天線陣列等，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易緊湊且易于實(shí)現(xiàn)，較大地節(jié)約了經(jīng)濟(jì)成本。每個(gè)圓環(huán)貼片都可產(chǎn)生不同特定模式的圓極化電磁波，通過不同模式電磁波的組合進(jìn)而產(chǎn)生具有OAM的渦旋電磁波。在對(duì)所提出的圓環(huán)組貼片天線進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上，通過模擬仿真得到的結(jié)果比較理想，進(jìn)而驗(yàn)證了該圓環(huán)組貼片天線的創(chuàng)新性。

關(guān)鍵詞： 無線通信; 軌道角動(dòng)量; 多信號(hào)傳輸; 圓環(huán)組貼片天線; 理論分析; 渦旋電磁波

中圖分類號(hào)： TN827+.1?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）13?0028?05

Compact circularly polarized ring?group patch antenna

generating orbital angular momentum

CHEN Siyu， XIONG Li， HUANG Ming

（School of Information Science and Engineering， Yunnan University， Kunming 650500， China）

Abstract： The vortex electromagnetic wave with orbital angular momentum （OAM） can be used for wireless communication， because it can transmit multiple signals with same frequency simultaneously. However， most of the methods to generate OAM have complex structure or high cost. A patch antenna composed of three ring patches is proposed innovatively to generate OAM. The ring?group patch antenna is superior to the phase?controlled antenna array proposed before， and has simple and compact structure， and is easy to implement， which can economize on the cost. Each ring patch can generate the circular polarized electromagnetic waves with different specific modes， and the combination of electromagnetic waves with different modes can generate the vortex electromagnetic waves with OAM. On the basis of theoretical analysis of the ring?group patch antenna proposed in this paper， the simulation results are satisfactory， and the innovation of the ring?group patch antenna is verified.

Keywords： wireless communication; orbital angular momentum; multi?signal transmission; ring?group patch antenna; theoretical analysis; vortex electromagnetic wave

0 ?引 ?言

現(xiàn)如今，為了提供更多的容量和支持多種寬帶業(yè)務(wù)，在無線通信領(lǐng)域里擴(kuò)大頻譜資源是一種不可避免的趨勢(shì)。隨著電信技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，出現(xiàn)了許多提高頻譜效率的技術(shù)，例如，正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)等。除了上述方法之外，最近還提出一種基于攜帶有軌道角動(dòng)量（Orbital Angular Momentum，OAM）的渦旋電磁波的新方法。由于每個(gè)拓?fù)浜蒓AM本征態(tài)模式之間都是正交和獨(dú)立的，因而在未來通信方式中，可通過在傳播的渦旋電磁波中創(chuàng)建多個(gè)分立頻道來同時(shí)傳輸多個(gè)信號(hào)，因此OAM具有在同頻率下同時(shí)傳輸多路信號(hào)而減小模式間串?dāng)_的巨大潛力[1]。

由于電磁波具有波粒二象性，因此電磁波同時(shí)具有線動(dòng)量和角動(dòng)量，而角動(dòng)量又分為代表偏振態(tài)的自旋角動(dòng)量（SAM）和代表場(chǎng)在空間中的相位和幅度分布的軌道角動(dòng)量（OAM）。對(duì)于SAM，人們對(duì)其研究較早，直到1992年Alen等人發(fā)現(xiàn)了一種光束具有螺旋相位波前，它可以通過相位[exp（ilφ）] 來描述并且每個(gè)光子攜帶有拓?fù)浜蔀閇l]?的軌道角動(dòng)量（其中[l]可取任意整數(shù)值），這才吸引了人們的注意，具有OAM的渦旋電磁波因其可在同一頻率上同時(shí)傳輸多個(gè)信號(hào)而備受關(guān)注，OAM的這一特性可用于提升信道容量和降低模式間串?dāng)_。起初OAM主要應(yīng)用于光波段，以提高光纖通信系統(tǒng)的容量[2]。近年來，無線電波在理論上實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)生并疊加OAM，這證明了OAM在射頻領(lǐng)域所具有的應(yīng)用前景[3]。后來，又提出頻率選擇表面、螺旋相位板、螺旋反射器、扭曲拋物面反射器、平面反射陣列和并聯(lián)饋電或饋電網(wǎng)絡(luò)圓形陣列等結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生OAM[4]。雖然產(chǎn)生OAM有以上多種途徑，但它們要么架構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，要么就是制作成本較高，甚至以目前的生產(chǎn)制作水平還做不出來具體實(shí)物。

而本文創(chuàng)新性地提出一種簡(jiǎn)易的產(chǎn)生OAM的方法，通過三個(gè)大小不同的圓環(huán)形貼片同心放置在同一塊介質(zhì)基板上，每個(gè)貼片的輻射特性隨著饋電點(diǎn)的相對(duì)饋電位置不同可以產(chǎn)生所要求的特定模式的電磁波，不同模式的電磁波組合，進(jìn)而產(chǎn)生具有OAM的渦旋電磁波。本文設(shè)計(jì)所提出的圓極化圓環(huán)組貼片天線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易緊湊且易于實(shí)現(xiàn)、控制和生產(chǎn)加工等特點(diǎn)，同時(shí)得到的模擬仿真結(jié)果也比較理想，進(jìn)而驗(yàn)證了該圓極化圓環(huán)組貼片天線的有效性和創(chuàng)新性。

1 ?圓環(huán)組貼片天線的理論分析

本文所提出的圓環(huán)組貼片天線由三個(gè)大小不同的同心圓環(huán)形貼片組成，首先對(duì)單個(gè)圓形貼片天線進(jìn)行理論分析，對(duì)于產(chǎn)生[TMn1]模式的右旋圓極化圓形貼片天線，總的輻射場(chǎng)的[x]和[y]分量可以表示為：

因此，以上理論分析表明，本文所提出的圓極化圓環(huán)組貼片天線是能夠產(chǎn)生OAM的。另外，通過改變每個(gè)圓環(huán)貼片饋電點(diǎn)的相對(duì)饋電位置和相對(duì)相位移的不同，可以產(chǎn)生不同的圓極化[TMn1]模式。

2 ?圓環(huán)組貼片天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所提出的圓極化圓環(huán)組貼片天線由三個(gè)同心但大小不同的圓環(huán)形貼片組合放置在同一塊介質(zhì)基板上，天線的幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示。每個(gè)圓環(huán)貼片都由兩個(gè)同軸線采用正交饋電的方式即等幅但相對(duì)相位差為90°來饋電，并且兩饋電點(diǎn)的相對(duì)方位角不同進(jìn)而分別產(chǎn)生圓極化[TMn1]模式。

圖1 ?天線幾何結(jié)構(gòu)圖

本文所提出的圓極化圓環(huán)組貼片天線之所以選用圓環(huán)形輻射貼片而不是傳統(tǒng)的幾何形狀，例如圓形或多邊形輻射貼片，是因?yàn)閳A環(huán)形貼片能夠更好地減小貼片間互耦并且能使天線整體結(jié)構(gòu)更加緊湊和小巧，進(jìn)而提升天線性能，降低生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)成本。

所有圓環(huán)貼片均被設(shè)計(jì)工作在5.8 GHz頻率點(diǎn)附近，三個(gè)圓環(huán)貼片均壓印在材料為Arlon AD410（相對(duì)介電常數(shù)為4.1，損耗角正切為0.003）的介質(zhì)基板上，而接地金屬面則壓印于介質(zhì)基板的另一面，天線的具體尺寸參數(shù)為：

內(nèi)側(cè)圓環(huán)貼片的內(nèi)外半徑分別為[a1=1] mm，[a2=7.1] mm，中間圓環(huán)貼片的內(nèi)外半徑分別為[b1=]8.5 mm，[b2=16.14] mm，外側(cè)圓環(huán)貼片的內(nèi)外半徑分別為[c1=17.5] mm，[c2=25.14] mm，介質(zhì)基板的半徑和厚度分別為[r=60] mm，[h=1.575] mm，內(nèi)側(cè)圓環(huán)貼片兩個(gè)饋電點(diǎn)之間的夾角為[90°]，中間圓環(huán)貼片兩個(gè)饋電點(diǎn)之間的夾角為45°，外側(cè)圓環(huán)貼片兩個(gè)饋電點(diǎn)之間的夾角為135°，且每個(gè)圓環(huán)貼片的兩個(gè)饋電相位差均為90°或-90°。

3 ?圓環(huán)組貼片天線的性能仿真結(jié)果及分析

本次仿真采用的是全波三維電磁仿真軟件Ansoft HFSS，同軸線以50 Ω來匹配阻抗。本文分別從圓環(huán)組貼片天線的回波損耗、二維增益方向圖、三維增益方向圖、空間輻射相位分布等方面來考察天線的性能指標(biāo)。

3.1 ?回波損耗

查看圓環(huán)組貼片天線的回波損耗即[S]參數(shù)，由于天線總共有六個(gè)同軸線饋電點(diǎn)，因此需分別查看[S11]，[S22]，[S33]，[S44]，[S55]和[S66]參數(shù)，其結(jié)果顯示分別如圖2～圖4所示。

圖2 ?[S11]，[S22]參數(shù)

圖3 ?[S33]，[S44]參數(shù)

從結(jié)果圖中可以看出，六個(gè)饋電端口的[S]參數(shù)均在5.8 GHz頻點(diǎn)附近且小于-20 dB，有效帶寬都達(dá)到至少0.6 GHz，體現(xiàn)了良好的帶寬性，說明每個(gè)圓環(huán)貼片都達(dá)到了良好的阻抗匹配和能量輸入。

圖4 ?[S55]，[S66]參數(shù)

3.2 ?二維增益方向圖

天線的E面和H面的二維增益方向圖分別如圖5，圖6所示。

圖5 ?E面二維增益方向圖

圖6 ?H面二維增益方向圖

從圖中可以看出，天線的增益效果比較好，輻射比較均勻。其中，H面的二維增益方向圖相對(duì)不太均勻，這是由于整個(gè)圓環(huán)組貼片天線的六個(gè)饋電點(diǎn)的位置相對(duì)于對(duì)稱軸[z]軸不是完全中心對(duì)稱分布而造成的。

3.3 ?三維增益方向圖

天線的三維增益方向圖如圖7所示。從圖中同樣可以看出，圓環(huán)組貼片天線的增益結(jié)果比較好，輻射比較均勻。

3.4 ?空間輻射相位分布

天線的空間輻射相位分布對(duì)于OAM來說是最重要的特性之一，也是本設(shè)計(jì)的重要性能指標(biāo)之一。只要該圓環(huán)組貼片天線向空間所輻射出的電磁波在空間中具有螺旋相位分布，那么就可以認(rèn)為電磁波攜帶有軌道角動(dòng)量。圓環(huán)組貼片天線的空間輻射相位分布如圖8所示。

圖7 ?三維增益方向圖

圖8 ?空間輻射相位分布

從圖中可以明顯地看出輻射出的電磁波的空間相位分布為螺旋相位分布且模式數(shù)為+1，即說明本文提出的圓環(huán)組貼片天線可以很好地產(chǎn)生OAM。另外，若將每個(gè)圓環(huán)貼片的兩個(gè)饋電相位差均由90°改為-90°時(shí)，又可產(chǎn)生模式數(shù)為-1的渦旋電磁波，此時(shí)的空間輻射相位分布如圖9所示。

圖9 ?空間輻射相位分布

4 ?結(jié) ?論

本文創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)出一種由三個(gè)同心但大小不同的圓環(huán)形貼片構(gòu)成的圓極化圓環(huán)組貼片天線，且每個(gè)圓環(huán)貼片均由兩個(gè)同軸線以位于不同的相對(duì)方位夾角來正交饋電，當(dāng)每個(gè)圓環(huán)貼片的饋電相位差為90°或-90°時(shí)，可分別產(chǎn)生具有模式數(shù)為+1或者-1的OAM的渦旋電磁波。本文所提出的圓極化圓環(huán)組貼片天線由于創(chuàng)新性地采用圓環(huán)形輻射貼片的設(shè)計(jì)，相較于傳統(tǒng)形狀的輻射貼片，優(yōu)化了天線的諧振特性，最終減小了貼片天線的尺寸，使天線的結(jié)構(gòu)尺寸更加簡(jiǎn)易和緊湊，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本。天線的仿真結(jié)果比較理想，進(jìn)而驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的有效性和創(chuàng)新性。

由于每個(gè)具有不同拓?fù)浜傻腛AM本征態(tài)相互之間都是正交且獨(dú)立的，因此在信道復(fù)用等具體應(yīng)用中，可將多個(gè)不同的OAM本征態(tài)相結(jié)合，這樣可以極大地提高信道容量。以上所有特性都使本文提出的圓極化圓環(huán)組貼片天線在無線電通信和雷達(dá)等應(yīng)用領(lǐng)域具有巨大的潛力和價(jià)值。與此同時(shí)，如何克服軌道角動(dòng)量在傳播過程當(dāng)中的衰落和畸變等困難，以及如何更加簡(jiǎn)便且快捷地產(chǎn)生、傳輸和接收更多模式的軌道角動(dòng)量等諸多問題，還有待解決。

參考文獻(xiàn)

[1] WANG J， YANG J Y， FAZAL I M， et al. Terabit free?space data transmission employing orbital angular momentum multiplexing [J]. Nature photonics， 2012， 6（7）： 488?496 .

[2] GIBSON G， COURTUAL J， PADGETT M， et al. Free?space information transfer using light beams carrying orbital angular momentum [J]. Optics express， 2004， 12（22）： 5448?5456.

[3] THIDE B， THEN H， SJHOLM J， et al. Utilization of photon orbital angular momentum in the low?frequency radio domain [J]. Physical review letters， 2007， 99（8）： 1?4.

[4] WEI W， MAHDJOUBI K， BROUSSEAU C， et al. Generation of OAM waves with circular phase shifter and array of patch antennas [J]. Electronics letters， 2015， 51（6）， 442?443.

[5] BARBUTO M， TROTTA F， BILOTTI F， et al. Circular pola?rized patch antenna generating orbital angular momentum [J]. Progress in electromagnetics research， 2014， 148： 23?30.

[6] ZHANG Z T， XIAO S Q. Generation of multiple orbital angular momentum （OAM） modes with a circularly polarized multimode patch antenna [C]// Proceedings of 2016 IEEE MTT?S International Wireless Symposium. Shanghai： IEEE， 2016： 1?4.

[7] 李強(qiáng)，孫學(xué)宏，龐丹旭，等.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(jì)[J].電子學(xué)報(bào)，2016，44（12）：2954?2959.

LI Qiang， SUN Xuehong， PANG Danxu， et al. The design of L band broadband array antenna based on multi?modal OAM vertex electromagnetic wave [J]. Acta electronica sinica， 2016， 44（12）： 2954?2959.

[8] HUI X， ZHENG S， CHEN Y， et al. Multiplexed millimeter wave communication with dual orbital angular momentum （OAM） mode antennas [J]. Science reports， 2015， 5（15）： 1?9.

[9] SPINELLO F， PARISI G， TAMBURINI F， et al. High?order vortex beams generation in the radiofrequency domain [J]. IEEE antennas and wireless propagation letters， 2016， 15： 889?892.

[10] 段寶巖，王猛.微波天線多場(chǎng)耦合理論模型與多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究[J].電子學(xué)報(bào)，2013，41（10）：2051?2060.

DUAN Baoyan， WANG Meng. Research of the theoretical model of multi?field coupling and multidisciplinary optimization design on microwave antennas [J]. Acta electronica sinica， 2013， 41（10）： 2051?2060.

[11] 黨唯菓，朱永忠，余陽，等.無線通信中的軌道角動(dòng)量天線綜述[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，43（6）：33?36.

DANG Weiguo， ZHU Yongzhong， YU Yang， et al. A survey on orbital angular momentum antenna in wireless communication [J]. Application of electronic technique， 2013， 43（6）： 33?36.