0 引言

    工業(yè)和信息化部曾批復(fù)了24.75～27.5 GHz和37～42.5 GHz頻段用于5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)，在較高頻段的微波段中,，爭(zhēng)用帶寬的設(shè)備少,，傳輸速率有保障。因此,，在即將到來的高速信息時(shí)代,，開發(fā)高頻段毫米波通信技術(shù)將會(huì)極大地緩解頻譜。目前已經(jīng)應(yīng)用碼分復(fù)用(CDM),、時(shí)分復(fù)用(TDM),、極化復(fù)用(PDM)、正交頻分復(fù)用(OFDM)以及多輸入多輸出(MIMO)等技術(shù)去解決頻譜資源短缺的問題,，但這些技術(shù)的應(yīng)用依舊難以滿足未來通信更高速率,、更高帶寬的發(fā)展趨勢(shì)。因此,，尋找其他新維度的復(fù)用技術(shù)來提高頻譜利用率也已成為大勢(shì)所趨,。

    軌道角動(dòng)量(Orbital Angular Momentum，OAM)在無線電通信系統(tǒng)中可以作為一種新的調(diào)制方式?；贠AM復(fù)用的通信技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在同一帶寬內(nèi)并行傳輸多路攜帶信息的OAM渦旋電磁波,，能夠大大提高頻譜的利用率^[1]。OAM在光學(xué)中已經(jīng)被廣泛應(yīng)用,，通過引入OAM,，光通信系統(tǒng)的傳輸能力得到很大程度的提升^[2]。要想將OAM這種新的調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于微波段,，其前提是能夠獲得高質(zhì)量的OAM波束,。2010年，MOHAMMADI S M等人通過偶極子陣列天線產(chǎn)生了攜帶OAM的電磁波束^[3],；2011年,，TENNANT A等人進(jìn)一步研究，提出時(shí)間開關(guān)陣列(Time-Switched Array,，TSA),，可以產(chǎn)生不同模態(tài)的OAM波束^[4]，但載波的信息有效性不是很好,；2012年,，TAMBURINI F采用螺旋拋物面天線驗(yàn)證了這種OAM復(fù)用技術(shù)^[5]，實(shí)現(xiàn)了在同一頻帶多路信號(hào)的傳輸,，但這種天線結(jié)構(gòu)過于單一,，不能實(shí)現(xiàn)多模態(tài)OAM波束的產(chǎn)生；2014年,，BARBUTO M等人提出了采用圓極化貼片天線產(chǎn)生OAM波束的方法^[6],，這種天線的輻射效率不高；2015年,，BAI X等人用圓喇叭陣列天線生成了OAM波束^[7],，但產(chǎn)生的模態(tài)效果不太理想；2016年,，LIANG J等人提出了用尺寸小,、輻射效率高的介質(zhì)諧振器天線制作寬頻帶OAM天線^[8]，僅實(shí)現(xiàn)了在幾個(gè)特定頻率中心產(chǎn)生OAM波束,，嚴(yán)重限制了整個(gè)寬頻帶的利用價(jià)值,。之后，越來越多的OAM天線被提出^[9-10],。上述眾多產(chǎn)生OAM波束的方法都沒能實(shí)現(xiàn)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、超帶寬、多頻段工作的OAM天線,。因此,，探索并設(shè)計(jì)超帶寬OAM天線對(duì)OAM復(fù)用技術(shù)在微波射頻領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的意義。

    本文基于圓環(huán)相控陣列天線模型和OAM渦旋電磁波的產(chǎn)生原理，利用半圓柱介質(zhì)諧振器天線,，設(shè)計(jì)了一種超寬帶OAM天線,。天線可在Ku、K和Ka 3個(gè)波段工作,，解決了OAM天線在高頻微波段難以實(shí)現(xiàn)超寬帶的問題,，有效地提高了頻帶利用率。通過對(duì)超寬帶OAM天線主要性能參數(shù)的分析,，證實(shí)了天線性能良好,，并在幾個(gè)具有代表性的頻率中心產(chǎn)生了電場(chǎng)輻射圖，產(chǎn)生的波束符合OAM渦旋電磁波最關(guān)鍵的特征,，同時(shí)也對(duì)工作頻帶上不同頻率中心產(chǎn)生的不同OAM模態(tài)的電場(chǎng)增益方向圖進(jìn)行了分析,。

1 OAM天線原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 圓環(huán)相控陣列天線模型

1.2 OAM天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    介質(zhì)諧振器天線因其具有饋電方式多、輻射效率高,、損耗低而且體積小的特點(diǎn),，所以比較適合將其作為超寬帶OAM天線的輻射單元。圖2(a)顯示的是超寬帶OAM天線結(jié)構(gòu),，設(shè)計(jì)過程并未采用完整的圓柱介質(zhì)諧振器天線,，是為了擴(kuò)展天線的頻帶寬度。同時(shí)經(jīng)過多次仿真優(yōu)化,，確定使用標(biāo)準(zhǔn)的半圓柱介質(zhì)諧振器天線可以實(shí)現(xiàn)最大的相對(duì)帶寬,。

    輻射單元天線如圖2(b)所示，半圓柱介質(zhì)諧振器天線放置在介質(zhì)基板之上,，半圓柱介質(zhì)諧振器天線采用Rogers 5880材料制成,，其介電常數(shù)ε=6，采用50 Ω阻抗的同軸探針方式饋電,。半圓柱介質(zhì)諧振器天線的半徑R=3.2 mm,，高度H₁=5 mm；介質(zhì)基板的材料為Rogers RT/duroid 5880 (tm),，其采用聚四氟乙烯玻璃纖維增強(qiáng)材料制造，基板的厚度為H₂=1 mm,，相對(duì)介電常數(shù)為2.2,。利用同軸探針方式饋電時(shí)，探針的位置以及其嵌入介質(zhì)體的深度對(duì)天線各方面性能都有較為明顯的影響,。經(jīng)過多次仿真實(shí)驗(yàn),，通過參數(shù)掃描和優(yōu)化參數(shù)的方式獲得了探針最佳的位置，應(yīng)距離半圓柱介質(zhì)體中心1.6 mm的位置,，嵌入介質(zhì)體的最佳深度為H₃=0.9 mm,。

2 仿真與分析

    圖3(a)表示OAM天線的回波損耗S11，由圖中的m1和m2可以計(jì)算出相對(duì)帶寬可以達(dá)到93%，頻帶覆蓋了Ku,、K和Ka 3個(gè)波段,。圖3(b)表示OAM天線的電壓駐波比VSWR，可以發(fā)現(xiàn)圖3(a)中m1和m2之間的頻帶,，在圖3(b)中對(duì)應(yīng)的VSWR參數(shù)均小于1.50,。在Ku、K和Ka這3個(gè)頻段上,，選取幾個(gè)具有代表性的頻點(diǎn)m3,、m4、m5以及m6,，它們的VSWR參數(shù)分別達(dá)到了1.01,、1.04、1.02和1.02,。因此,，由天線主要性能參數(shù)可知，此OAM天線不僅滿足超帶寬的設(shè)計(jì)要求,，而且阻抗匹配也較為良好,。

    圖4和圖5分別描述的是中心頻率為19.1 GHz和32.5 GHz兩種情況下，模態(tài)數(shù)l=0,、1,、2、3的電場(chǎng)輻射圖的變化情況,。顯然,，在l不等于0的情況下，電場(chǎng)呈螺旋狀分布,，這正是OAM波束最重要的本質(zhì)特征,，而且OAM渦旋軌跡的波束的數(shù)量為2l。同時(shí)也不難發(fā)現(xiàn),，電場(chǎng)輻射圖中央有凹陷,，呈現(xiàn)出了中空波束的特點(diǎn)，隨著l的增加,，凹陷區(qū)域的面積也隨之變大,。其實(shí)OAM波束凹陷區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)很小，若凹陷區(qū)域的面積變大,，OAM波束變得愈加發(fā)散,。因此，在檢測(cè)和接收OAM波束信號(hào)時(shí),，中空凹陷區(qū)域的輻射范圍的變化必須作為一個(gè)考慮因素,。

    圖6和圖7表示中心頻率為19.1 GHz和32.5 GHz兩種情況下,，不同OAM模態(tài)的電場(chǎng)增益方向圖。將圖6中的(a)~(d)和圖7中的(a)~(d)進(jìn)行對(duì)比,，發(fā)現(xiàn)兩種頻率產(chǎn)生相同模態(tài)的OAM波束時(shí),，它們的電場(chǎng)增益圖大小變化基本相同，說明產(chǎn)生的OAM渦旋電磁波能量集中性大致一樣,，而且每個(gè)模態(tài)的電場(chǎng)增益方向圖對(duì)稱性良好,，體現(xiàn)出了OAM波束具有旋轉(zhuǎn)性和對(duì)稱性的特點(diǎn)。但隨著l的增加,，可以發(fā)現(xiàn)19.1 GHz頻率比32.5 GHz頻率產(chǎn)生的OAM波束的螺旋相位波前結(jié)構(gòu)效果更好,，當(dāng)l=3時(shí)，體現(xiàn)得更加明顯,。

3 結(jié)論

    本文基于半圓柱介質(zhì)諧振器天線和OAM渦旋電磁波的產(chǎn)生原理,，有效地將OAM通信技術(shù)與超寬帶天線技術(shù)融合，設(shè)計(jì)了一種超寬帶OAM天線,。天線工作于Ku,、K和Ka 3個(gè)高頻微波段，實(shí)現(xiàn)了OAM波束在多頻段上的產(chǎn)生,，使其發(fā)揮更多提升頻譜利用率的能力,；通過仿真分析，發(fā)現(xiàn)在不同頻點(diǎn)下產(chǎn)生相同模態(tài)的OAM波束,，它們的電場(chǎng)增益大小變換幾乎一樣,，也就是說多頻段上不同頻點(diǎn)產(chǎn)生相同模態(tài)的OAM波束，其能量集中性基本保持不變,，并且都具有良好的旋轉(zhuǎn)性和對(duì)稱性,，這在一定程度上說明了此OAM天線的有效性和可行性；因此,，基于半圓柱介質(zhì)諧振器天線結(jié)構(gòu)的OAM天線適用于生成多種模態(tài)的OAM波束,，對(duì)促進(jìn)OAM天線的研究以及多頻段的應(yīng)用都具有一定參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫學(xué)宏,，李強(qiáng),，龐丹旭，等.軌道角動(dòng)量在無線通信中的研究新進(jìn)展綜述[J].電子學(xué)報(bào),，2015,，43(11)：2305-2314.

[2] WANG J，YANG J Y,，F(xiàn)AZAL I M,，et al.Terabit free-space data transmission employing orbital angular momentum multiplexing[J].Nature Photonics,，2012,，6(7)：488-496.

[3] MOHAMMADI S M,，DALDORFF L K S，BERGMAN J E S,，et al.Orbital angular momentum in radio - a system study[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,，2010，58(2)：565-572.

[4] TENNANT A,，ALLEN B.Generation of OAM radio waves using circular time-switched array antenna[J].Electronics Letters,，2012，48(21)：1365-1366.

[5] TAMBURINI F,，MARI E,，SPONSELLI A，et al.Encoding many channels on the same frequency through radio vorticity:first experimental test[J].New Journal of Physics,，2012,，14(3)：1-17.

[6] BARBUTO M，TROTTA F,，BILOTTI F,，et al.Circular polarized patch antenna generating orbital angular momentum[J].Progress in Electromagnetics Research，2014,，148：23-30.

[7] BAI X,，JIN R，LIU L,，et al.Generation of OAM radio waves with three polarizations using circular horn antenna array[J].International Journal of Antennas & Propagation,，2015，2015(5)：1-11.

[8] LIANG J,，ZHANG S.Orbital angular momentum(OAM) generation by cylinder dielectric resonator antenna for future wireless communication[J].IEEE Access,，2016，4：9570-9574.

[9] SUN X,，DU Y,，F(xiàn)AN Y，et al.The design of array antenna based on multi-modal OAM vortex electromagnetic wave[C].Progress in Electromagnetic Research Symposium.IEEE,，2016：2786-2791.

[10] 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.

作者信息:

常  偉1,，孫學(xué)宏2,，3，劉麗萍1,，3

（1.寧夏大學(xué) 物理與電子電氣工程學(xué)院,，寧夏 銀川750021,；

2.寧夏大學(xué) 信息工程學(xué)院，寧夏 銀川750021,；3.寧夏沙漠信息智能感知重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,，寧夏 銀川750021）