毫米波段渦旋電磁波天線陣與饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

姜澤鋒,鄧聯(lián)文,董 健,郭才彪

(1.中南大學(xué) 物理與電子學(xué)院,湖南 長沙 410083;2.中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 長沙 410083)

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展,頻譜資源越發(fā)緊張。對電磁波的幅度、相位、頻率而進(jìn)行的振幅調(diào)制、相位調(diào)制和頻率調(diào)制方法已不能滿足日益增長的通信容量需求[1]。渦旋電磁波由于攜帶軌道角動量(OAM),且不同的OAM模式正交,可在同一頻率進(jìn)行不同信息傳輸,有望得到應(yīng)用而大幅提高無線通信容量。利用OAM作為新的調(diào)制自由度來解決頻譜資源日益緊缺問題,已成為通信技術(shù)領(lǐng)域的一個研究熱點(diǎn)[2-3]。

渦旋電磁波的波前相位面不是傳統(tǒng)的平面或者球面,而是沿傳播軸向具有螺旋狀等相位面的特殊結(jié)構(gòu)。對OAM的研究起源于光學(xué)領(lǐng)域,1992年,荷蘭物理學(xué)家Allen等[4-5]發(fā)現(xiàn)拉蓋爾高斯光束在近軸傳播條件下攜帶OAM,經(jīng)過二十多年的發(fā)展,OAM在光學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)被廣泛應(yīng)用,如光通信、光學(xué)扳手等。Thide教授等[6]在2007年首次證明了使用相控天線陣能在無線電頻段產(chǎn)生攜帶軌道角動量的電磁波,并提出將OAM應(yīng)用于無線通信的設(shè)想。Mohammadi等[7]進(jìn)一步系統(tǒng)研究了天線陣數(shù)目、天線陣半徑對渦旋電磁波方向性的影響。2011年,Tohammadi和Thide在意大利進(jìn)行了OAM的第一次室外無線通信實(shí)驗(yàn),使用螺旋拋物面天線產(chǎn)生了OAM模式為1的渦旋電磁波,通過八木天線接收,驗(yàn)證了渦旋電磁波用于無線傳輸?shù)目尚行?在2012年他們進(jìn)一步開展了電磁波的抗干擾性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),并發(fā)現(xiàn)OAM編碼技術(shù)與相位編碼技術(shù)可以兼容。

目前能產(chǎn)生OAM波束的方法有多種,如圓形相控陣天線、螺旋相位板、螺旋拋物面天線、介質(zhì)諧振天線等[8-11]。相比其他OAM波束生成方法,圓形微帶天線陣具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量小、易于制造等優(yōu)點(diǎn),也易與微帶傳輸線連接,對簡化饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計有利[12]。根據(jù)圓形相控天線陣產(chǎn)生OAM波束理論,需要對每個天線單元饋以幅度相同、等相位差延遲的激勵;因此如何設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)且相位精度高的饋電網(wǎng)絡(luò)是技術(shù)關(guān)鍵[13-14]。目前有關(guān)渦旋電磁波天線陣列的研究較多,周守利等[15]使用圓微帶貼片組成天線陣在C波段產(chǎn)生了渦旋電磁波;李強(qiáng)等[16]使用微帶貼片作為陣元組成天線,在L波段產(chǎn)生了渦旋電磁波;Deng等[17]使用Vivaldi天線作為陣元設(shè)計天線陣,在C波段產(chǎn)生了渦旋波束。但是上述三個團(tuán)隊都只是限于天線陣列的設(shè)計,未進(jìn)行天線陣與饋電網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合設(shè)計。本文采用高頻電磁仿真軟件HFSS,首次在毫米波段進(jìn)行了微帶天線陣、微帶移相器和微帶功分器的聯(lián)合設(shè)計,饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單,呈中心對稱分布,只需要一個饋電端口,能產(chǎn)生模式為1且效果良好的螺旋相位分布;且通過背饋方式,能減少饋電網(wǎng)絡(luò)對輻射單元的干擾。

1 天線陣與饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

1.1 天線單元設(shè)計

本文在毫米波段設(shè)計微帶天線單元,為減少饋電網(wǎng)絡(luò)對輻射單元影響,降低陣元間耦合,使用同軸線對天線饋電。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 天線單元結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of antenna element

通過微帶天線理論計算與優(yōu)化參數(shù),得到在33.07 GHz滿足設(shè)計要求的方形微帶天線的具體參數(shù),如表1所示;其中L、W為地的長寬,L1與W1為貼片的長寬,同軸線中心離坐標(biāo)原點(diǎn)距離為a,同軸饋線的內(nèi)徑與外徑分別為r1與r2,使用銅作為同軸線的材料;介質(zhì)基底使用相對介電常數(shù)為2.2的Roger RT,厚度為h1。

表1 工作在33.07GHz的微帶天線尺寸Tab.1 Microstrip antenna size at 33.07 GHz mm

圖2為微帶天線的回波損耗仿真結(jié)果,可見,天線單元在中心頻率 33.07 GHz的反射系數(shù)為-39 dB,-10 dB帶寬也較寬。圖3的電場輻射增益結(jié)果表明,該天線具有良好輻射能力,在z軸正方向輻射強(qiáng)度最大,最大增益為9.14 dB。

圖2 單元天線回波損耗圖Fig.2 Reflection coefficient of the antenna element

圖3 天線輻射圖Fig.3 Pattern of the antenna

1.2 天線陣與饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

天線陣與饋電網(wǎng)絡(luò)整體結(jié)構(gòu)如圖4所示,組成依次為天線陣、介質(zhì)板1、地板、介質(zhì)板2、饋電網(wǎng)絡(luò),天線陣由4個陣元組成,各單元中心距離坐標(biāo)原點(diǎn)為R,為得到最佳渦旋效果,需要對圓形天線陣初始半徑R進(jìn)行優(yōu)化,通過仿真優(yōu)化,最終確定半徑R=4.22 mm。兩個介質(zhì)板都使用相對介電常數(shù)為 2.2的 Roger RT,其中介質(zhì)1厚度為h1=0.254 mm,介質(zhì)2厚度為h2=0.08 mm。饋電網(wǎng)絡(luò)通過同軸饋線穿過地板、介質(zhì)板與天線單元相連,該設(shè)計可減少饋電網(wǎng)絡(luò)對輻射單元的影響。饋電網(wǎng)絡(luò)給每個天線單元提供了幅度相同,相位依次遞增的激勵。

基于均勻圓形天線陣產(chǎn)生渦旋電磁波的原理,產(chǎn)生模式為1的OAM波束需要對每個天線單元等幅信號饋電,且沿順時針方向,每個天線單元的相位為,N為天線陣元個數(shù),l為產(chǎn)生的OAM模式數(shù)[13]。陣元個數(shù)N=4,OAM模式數(shù)l=1,沿順時針的每個天線單元的相位依次為0°,90°,180°,270°。

設(shè)計的饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示,五個輸入輸出端口都使用50Ω阻抗匹配,其中信號由端口1輸入,由端口2、端口3、端口4、端口5分別對天線單元輸出饋電。B與A的距離為λg/4,λg為導(dǎo)波波長,為使端口3對端口2有90°相位延遲,在端口3與C點(diǎn)之間加入λg/4微帶移相器。連接端口4和5的微帶傳輸線,以A點(diǎn)為中心,與端口2和3所連的微帶傳輸線呈中心對稱分布,這種設(shè)計有利于減少端口間的相位誤差。

圖4 l=1的圓形天線陣與饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Configuration of circular antenna array andfeeding network forl=1

圖5 l=1的饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Configuration of feeding network forl=1

饋電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生模式為1的電磁波的仿真結(jié)果如圖6所示,反射系數(shù)在指定帶寬內(nèi)都低于-20 dB,在工作頻段傳輸系數(shù)都在-5.8 dB與-6.3 dB之間,誤差低于0.5 dB。相位誤差低于1°,證明相鄰的兩個端口間的相位延遲相同。

圖6 饋電網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果Fig.6 Reflection coefficient of feeding network

2 結(jié)果分析

對饋電網(wǎng)絡(luò)與天線陣進(jìn)行整體仿真,得到圖7所示的反射系數(shù),中心頻率為33.22 GHz,最低反射系數(shù)為-20 dB,低于-10 dB帶寬為1.86 GHz,具有較寬工作頻率范圍;整體仿真的中心頻率相對于天線單元有一定的頻偏,但對整體工作頻率范圍影響不大。產(chǎn)生頻偏的原因一方面是受天線陣元之間耦合的影響,另一方面饋電網(wǎng)絡(luò)與天線陣阻抗匹配有一定誤差。通過圖8所示的輻射增益圖可見,在渦旋電磁波軸心處增益為-15 dB,最高增益在邊緣處為8.6 dB,符合渦旋電磁波的中心能量最低,邊緣能量高的物理特性。通過在表2中進(jìn)行對比,相較于文獻(xiàn)[15]、[16]和[17]中在C、L波段設(shè)計的八元天線陣,本天線陣作為工作在毫米波段的四元天線陣,在增益與尺寸上更有優(yōu)勢。

圖7 天線陣回波損耗圖Fig.7 Reflection coefficient of the antenna array

表2 幾種渦旋電磁波天線陣比較Tab.2 Performance comparison of several vortex electromagnetic antenna array

圖8 天線輻射圖Fig.8 Pattern of the antenna

圖9與圖10所示為傳播不同距離渦旋電磁波的電場輻射圖與相位分布圖,能明顯可見符合渦旋電磁波特點(diǎn)的低能量的輻射中心與螺旋相位條帶;且隨距離增加,渦旋波束的相位沒有明顯變化,但是電場輻射中心的能量越來越低。OAM是電磁場新的自由度,在接收端分辨不同模式的OAM是能夠進(jìn)行正交復(fù)用的基礎(chǔ)。隨著傳輸距離不斷增加,除了能量的傳播損耗外,輻射中心的空洞也會由于渦旋電磁波固有屬性不斷變大,這要求設(shè)計巨大口徑的接收陣列與高增益天線。同時大氣對渦旋電磁波傳播的影響,也需要進(jìn)一步研究與探討。

圖9 電場能量圖Fig.9 Electric field patterns

圖10 相位分布圖Fig.10 Phase distribution patterns

3 結(jié)論

本文首次在毫米波段提出了由微帶天線陣、微帶功分器、微帶移相器組成的渦旋電磁波產(chǎn)生系統(tǒng)。為減少天線單元間耦合,采用同軸線饋電;為減少饋電網(wǎng)絡(luò)對輻射單元的影響,通過地板將輻射單元與饋電網(wǎng)絡(luò)隔離;為簡化設(shè)計和保證相位精度,饋電網(wǎng)絡(luò)使用了中心對稱結(jié)構(gòu)。設(shè)計的天線陣中心頻率為33.22 GHz,具有1.86 GHz帶寬;具有清晰電場奇點(diǎn)的電場輻射圖與螺旋結(jié)構(gòu)相位分布圖表明,天線陣能產(chǎn)生模式為1的OAM波束;設(shè)計的天線陣與饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單,易于實(shí)現(xiàn),在雷達(dá)成像和通信領(lǐng)域具有實(shí)際應(yīng)用的潛力。