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āy有軌道角動量(OAM)的電磁波具有e^jlθ的螺旋相位結構,，其中l(wèi)是一個無界整數(OAM的模態(tài)值或拓撲荷數),，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)可以提供更高的數據傳輸速率和更高的信號安全性。把OAM當做新的調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在光學領域的研究逐漸展開。2007年,，THIDE B等人證明均勻圓陣列可以產生攜有軌道角動量的渦旋電磁波,，并首次提出將OAM應用于無線通信的設想^[3]。2011年,，THIDE B等在意大利進行了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的可行性,；在2012年他們進一步展開了電磁波的抗干擾性能驗證實驗，并且發(fā)現(xiàn)相位編碼技術可以兼容OAM編碼技術,。2016年,，周守利等使用圓形貼片的天線陣列產生了攜有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：透射螺旋結構,、透射光柵結構、反射螺旋面和相控陣列結構,。幾類OAM天線結構各有千秋,，也有不足。透射光柵結構過多地依賴于計算全息法(Computer Generated Hologram,，CGH),，全6息板的制作復雜；透射螺旋結構產生渦旋電磁波的方式受特定波長的限制,；反射螺旋面結構簡單,，然而產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構只能一種OAM模式^[7]；相控陣天線結構簡單,，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],。雖然人們已經研究了幾種實現(xiàn)單?；蚨嗄５腛AM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，在此基礎上設計了一種相控陣列天線,，使其可以工作在兩個頻段范圍內,，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 陣列天線結構設計

    本文設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,，該陣列天線的結構如圖1所示，其陣元的結構如圖2所示,。在設計之初,，先通過相關的公式進行計算來得到陣元的一些參數值，其次再使用三維電磁仿真軟件ANAYS HFSS(High Fre-

quency Structure Simulator)對天線的結構參數進行優(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，下表面連接的是導體貼片,，介質采用FR4材料,，其相對介電常數為4.4，金屬地板采用pec材質,。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為介質板的長度,；W₁為介質板的寬度；R_in為同軸饋電線的半徑,；R_out為導體貼片半徑,；R₀為陣列天線各陣元中心到坐標原點的距離。

    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，陣列天線設計達到了要求,。

2 仿真結果與分析

    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,，相應的電場輻射圖的變化情況。當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l=1時,，在Z軸方向天線陣列產生了中空波束，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l=-1時,，相鄰的兩個陣元的相位相差-45°，該天線陣列能產生順時針的螺旋相位波前,；當l=-1時,，相鄰的兩個陣元之間的相位相差45°,，該陣列天線能產生逆時針的螺旋相位波前。當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l=±3時,，渦旋電磁波波束的中心空域面積達到最大,，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,，當對OAM波束信號進行檢測和接收時，應該把空域面積的變化納入考量范圍內,。

    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,。根據經典電磁理論,，渦旋電磁波相位結構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性和對稱性,，即當=0°時，天線的方向性應該是對稱的,。通過對比圖6(a)~圖6(d)和圖7(a)~圖7(d),，當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構效果更差,，當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,，設計了一款可以同時在21 GHz和27 GHz產生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、結構簡單,、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，如何產生多模態(tài)值的OAM渦旋電磁波,，如何設計高增益、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用前景,，依然值得今后不斷探索和努力,。

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作者信息:

張玲玲

(浙江工業(yè)大學 信息學院,，浙江 杭州310023)