基于5GHz無線頻段的環(huán)形OAM微帶陣列天線設計

常偉 孫學宏 劉麗萍 孫牧歌 席國法

關鍵詞： 5 GHz無線頻段; 渦旋電磁波; 環(huán)形陣列天線; 饋電網(wǎng)絡; 軌道角動量; 頻譜資源; 螺旋相位

中圖分類號： TN828?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）01?0014?05

Abstract： The shortage of the spectrum resources and low utilization of the spectrum have become the important factors hindering the development of wireless communication technology and Internet of Things. The orbital angular momentum （OAM） as a new technology of wireless communication has attracted extensive attention. A ring?shaped OAM microstrip array antenna based on 5 GHz wireless frequency band is proposed， and a feeding network composed of phase shifter with variable length and U?type phase shifter is designed. The specific realization of the feeding phase difference between the radiation array elements and related performance parameters of array antenna are analyzed. The results show that the OAM beam radiated by the array antenna has obvious helical phase wavefront structure， can generate the stable OAM vortex electromagnetic wave. The array antenna has the advantages of simple structure and easy processing， and has a certain reference value to solve the contradiction between channel capacity requirement and spectrum resources shortage in future wireless communication system.

Keywords： 5 GHz wireless frequency band; vortex electromagnetic wave; ring?shaped array antenna; feeding network; orbital angular momentum; spectrum resource; helical phase

0 ?引 ?言

隨著以信息交互與傳輸為主的物聯(lián)網(wǎng)規(guī)模的擴大，物聯(lián)網(wǎng)已成為頻譜資源需求的大戶。影響物聯(lián)網(wǎng)實際效率的WiFi技術標準主要是IEEE 802.11，要實現(xiàn)IEEE 802.11ac千兆數(shù)據(jù)速率的唯一方法是使用5 GHz頻段，而且IEEE 802.11ac通信標準僅在5 GHz頻段上工作，因此采用這一規(guī)范的網(wǎng)絡幾乎不會與其他無線設備發(fā)生沖突。毫無疑問，如果能夠更好地利用軌道角動量[1]（Orbital Angular Momentum，OAM）渦旋電磁波的復用技術來提高5 GHz無線頻段的頻譜利用率，必將使物聯(lián)網(wǎng)設備擁有更多的頻譜復用資源。

攜帶OAM的電磁波就是渦旋電磁波。渦旋電磁波的產(chǎn)生是通過在正常電磁波上添加一個與空間方位角[φ]相關的旋轉(zhuǎn)相位因子[ejlφ]，將正常電磁波轉(zhuǎn)變?yōu)闇u旋電磁波。此時電磁波波前將不再是平面結(jié)構(gòu)，而是繞著波束傳播方向旋轉(zhuǎn)，呈現(xiàn)出一種螺旋相位結(jié)構(gòu)，可以表示為[U（r，φ）=A（r）×ejlφ]。其中：[A（r）]表示正常電磁波的幅度值;[r]表示到波束中心軸線的輻射距離;[φ]表示為方位角;[l]表示為軌道角動量的模態(tài)值。理論上講，不同模態(tài)值的渦旋電磁波是相互正交且相互之間不會產(chǎn)生干擾。利用這一特性，可以在同一帶寬內(nèi)并行傳輸多路攜帶信息的渦旋電磁波[2]。OAM在光學中已經(jīng)被廣泛應用，通過引入OAM，光通信系統(tǒng)的傳輸能力得到很大程度的擴展[3]。在光學中產(chǎn)生OAM波束的方法也有很多，比如螺旋相位板[4]（SPP）、計算干涉型全息圖[5]、超平面[6]等方法。

當時國內(nèi)關于OAM的研究主要在光學領域，對無線通信頻段的OAM渦旋電磁波研究還處于起步階段。近幾年的最新研究成果表明，軌道角動量已經(jīng)不僅僅局限在光領域內(nèi)，也可以應用在無線電領域中。2007年，文獻[7]提出將光子軌道角動量應用于低頻無線通信領域，開創(chuàng)了將軌道角動量應用在無線通信領域中的先河。此后，關于軌道角動量產(chǎn)生方法的研究在很多文獻中出現(xiàn)，文獻[8]系統(tǒng)研究了利用偶極子陣列天線產(chǎn)生攜帶OAM的電磁波束，文獻[9]進一步提出一種時間開關陣列（Time?switched Array，TSA），可以產(chǎn)生多個模態(tài)的OAM值。文獻[10]采用一種螺旋拋物面天線和八木天線驗證了攜帶軌道角動量電磁波在無線通信信息傳輸中的可行性，但其結(jié)構(gòu)不夠輕巧，而且要實現(xiàn)多模態(tài)OAM波束就必須改變天線的結(jié)構(gòu)。文獻[11]利用圓極化貼片天線生成了OAM電磁波，文獻[12?13]使用三極化圓喇叭天線陣列生成了OAM無線電磁波，但其輻射效率比較低。同時，國內(nèi)針對產(chǎn)生OAM的微帶陣列天線帶寬窄的缺點，進一步設計了工作在L波段的多模態(tài)OAM新型微帶寬頻陣列天線[14]，這種天線的饋電要求相對復雜。文獻[15]提出用超表面將圓極化波轉(zhuǎn)化為OAM波束，此方法要求超表面尺寸要足夠大。文獻[16]也設計了圓形天線陣產(chǎn)生OAM渦旋波束，但僅實現(xiàn)了在X波段OAM波束的產(chǎn)生。

綜上分析，上述的OAM渦旋電磁波產(chǎn)生方法很難應用于實際的5 GHz無線頻段通信系統(tǒng)中。因此，尋找合適的OAM渦旋電磁波產(chǎn)生方法并將其應用于未來的5 GHz無線通信系統(tǒng)中已成為當下亟需解決的問題。本文基于環(huán)形陣列天線產(chǎn)生OAM渦旋電磁波的原理，設計了一種工作在5 GHz無線頻段的環(huán)形OAM微帶陣列天線。為了實現(xiàn)陣元間饋電相位依次遞增或遞減相同的相移增量，又設計了相應的饋電網(wǎng)絡。通過對陣列天線相關性能參數(shù)的分析，證實了環(huán)形OAM微帶陣列天線性能良好，輻射出的波束符合OAM渦旋電磁波最關鍵的特征。此陣列天線具有重量輕、剖面低、易加工等特點，對提高未來無線通信系統(tǒng)容量和頻譜利用率具有一定的指導作用。

1 ?環(huán)形陣列天線模型及結(jié)構(gòu)設計

因為環(huán)形陣列天線的陣因子有螺旋相位[e-jlφ]，所以本文采用環(huán)形陣列天線產(chǎn)生穩(wěn)定的OAM渦旋電磁波。圖1表示環(huán)形陣列天線模型，其中[φ]表示方位角，[θ]表示俯仰角，[R]表示環(huán)的半徑，[r]表示觀測點到環(huán)形陣列天線的參考點[O]的距離。

1.2 ?饋電網(wǎng)絡

圖4是饋電網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)圖，為了使陣列天線的單元微帶貼片天線實現(xiàn)輻射陣元間45°的饋電相位差，產(chǎn)生模態(tài)值為+1的OAM渦旋電磁波，選用的饋電網(wǎng)絡主要由物理長度可變的移相器構(gòu)成。從A端口背面進行同軸饋電，A處到B處的微帶線長度為[Lab]，A處到C處的微帶線長度為[Lac]，要求[Lab]比[Lac]長[λg8]，[λg]表示介質(zhì)中的波長，從而實現(xiàn)了B處比C處有45°相位延遲。因為陣列天線的圓環(huán)半徑大小將會影響陣列天線的性能，所以在饋電網(wǎng)絡中增加了U型移相器，相應的減小了饋電網(wǎng)絡空間，也就減小了圓環(huán)的半徑，同時也實現(xiàn)了D處90°的相位延遲和E處135°相位延遲。整個饋電網(wǎng)絡由上下部分中心旋轉(zhuǎn)得到，可以為F，G，H，I陣元提供另外的180°相移，環(huán)形陣列天線的半徑約為[0.7λg]。

2 ?仿真分析

本文利用三維電磁仿真軟件HFSS對設計的環(huán)形微帶陣列天線進行仿真，由圖5的回波損耗[S11]和圖6的電壓駐波比VSWR這兩個天線主要性能參數(shù)可以看出，各陣元之間的耦合效應較小且各陣元的諧振頻率具有良好的一致性。

陣列天線的[S11]參數(shù)在5.28～5.47 GHz范圍內(nèi)小于-10 dB，在中心工作頻率5.39 GHz處，[S11]參數(shù)達到-41.15 dB。從圖6的電壓駐波比VSWR可以得出，陣列天線在中心工作頻率5.39 GHz處達到了1.05左右，在工作頻帶5.33～5.44 GHz之間，電壓駐波比VSWR的參數(shù)均小于1.5。天線阻抗匹配良好，滿足天線設計的性能要求。

同時由圖7的環(huán)形微帶陣列天線的E，H面增益方向圖可以看出，在工作頻帶內(nèi)該陣列天線的增益性良好且與回波損耗[S11]以及圖8的環(huán)形微帶陣列天線的3D遠場輻射圖較好的吻合。

圖9表示的是環(huán)形微帶陣列天線產(chǎn)生波束的相位分布圖，可以明顯觀察到，該陣列天線產(chǎn)生的波束有著明顯的連續(xù)相位變換，渦旋波束的相位波前繞渦旋中心旋轉(zhuǎn)一周，相位改變了2π，稱作模態(tài)值為[l=1]的OAM渦旋波束，且呈現(xiàn)出螺旋相位波前結(jié)構(gòu)，符合OAM渦旋電磁波最關鍵的特征。圖10為模態(tài)值為±1的電場分布圖，進一步說明了設計的環(huán)形微帶陣列天線能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的OAM渦旋電磁波。

3 ?結(jié) ?論

本文基于環(huán)形微帶陣列天線工作原理，提出一種基于5 GHz無線頻段的環(huán)形OAM微帶陣列天線。仿真結(jié)果表明，在其對應的工作頻帶內(nèi)天線性能良好，陣列天線產(chǎn)生的波束具有一定的螺旋相位波前結(jié)構(gòu)，符合OAM渦旋電磁波特征，可以成功產(chǎn)生OAM渦旋電磁波。由于該環(huán)形微帶陣列天線選用的材料并非理想材料，各陣元之間會存在一定的耦合干擾，從而導致OAM渦旋電磁波并不一定完全存在旋轉(zhuǎn)對稱性，但該陣列天線與饋電網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)簡單且易于加工，對OAM渦旋電磁波在未來無線通信中的發(fā)展以及在5 GHz無線頻段的實際應用都具有一定的研究與參考價值，具體在無線通信系統(tǒng)中的應用還需進一步探究與驗證。

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