生成軌道角動量的緊湊型圓極化圓環(huán)組貼片天線

陳思宇 熊麗 黃銘

摘 ?要： 可用于無線通信具有軌道角動量（OAM）的渦旋電磁波因其可在同一頻率上同時傳輸多個信號而備受關(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)簡易緊湊且易于實現(xiàn)，較大地節(jié)約了經(jīng)濟成本。每個圓環(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而產(chǎn)生具有OAM的渦旋電磁波。在對所提出的圓環(huán)組貼片天線進行理論分析的基礎(chǔ)上，通過模擬仿真得到的結(jié)果比較理想，進而驗證了該圓環(huán)組貼片天線的創(chuàng)新性。

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

中圖分類號： TN827+.1?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 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)域里擴大頻譜資源是一種不可避免的趨勢。隨著電信技術(shù)的發(fā)展與進步，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量（Orbital Angular Momentum，OAM）的渦旋電磁波的新方法。由于每個拓撲荷OAM本征態(tài)模式之間都是正交和獨立的，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)建多個分立頻道來同時傳輸多個信號，因此OAM具有在同頻率下同時傳輸多路信號而減小模式間串擾的巨大潛力[1]。

由于電磁波具有波粒二象性，因此電磁波同時具有線動量和角動量，而角動量又分為代表偏振態(tài)的自旋角動量（SAM）和代表場在空間中的相位和幅度分布的軌道角動量（OAM）。對于SAM，人們對其研究較早，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）] 來描述并且每個光子攜帶有拓撲荷為[l]?的軌道角動量（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傳輸多個信號而備受關(guān)注，OAM的這一特性可用于提升信道容量和降低模式間串擾。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物。

而本文創(chuàng)新性地提出一種簡易的產(chǎn)生OAM的方法，通過三個大小不同的圓環(huán)形貼片同心放置在同一塊介質(zhì)基板上，每個貼片的輻射特性隨著饋電點的相對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，進而產(chǎn)生具有OAM的渦旋電磁波。本文設(shè)計所提出的圓極化圓環(huán)組貼片天線具有結(jié)構(gòu)簡易緊湊且易于實現(xiàn)、控制和生產(chǎn)加工等特點，同時得到的模擬仿真結(jié)果也比較理想，進而驗證了該圓極化圓環(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)組貼片天線由三個大小不同的同心圓環(huán)形貼片組成，首先對單個圓形貼片天線進行理論分析，對于產(chǎn)生[TMn1]模式的右旋圓極化圓形貼片天線，總的輻射場的[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，通過改變每個圓環(huán)貼片饋電點的相對饋電位置和相對相位移的不同，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

本文所提出的圓極化圓環(huán)組貼片天線由三個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。每個圓環(huán)貼片都由兩個同軸線采用正交饋電的方式即等幅但相對相位差為90°來饋電，并且兩饋電點的相對方位角不同進而分別產(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，是因為圓環(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，進而提升天線性能，降低生產(chǎn)經(jīng)濟成本。

所有圓環(huán)貼片均被設(shè)計工作在5.8 GHz頻率點附近，三個圓環(huán)貼片均壓印在材料為Arlon AD410（相對介電常數(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)貼片兩個饋電點之間的夾角為[90°]，中間圓環(huán)貼片兩個饋電點之間的夾角為45°，外側(cè)圓環(huán)貼片兩個饋電點之間的夾角為135°，且每個圓環(huán)貼片的兩個饋電相位差均為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。

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同軸線饋電點，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，六個饋電端口的[S]參數(shù)均在5.8 GHz頻點附近且小于-20 dB，有效帶寬都達到至少0.6 GHz，體現(xiàn)了良好的帶寬性，說明每個圓環(huán)貼片都達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不太均勻，這是由于整個圓環(huán)組貼片天線的六個饋電點的位置相對于對稱軸[z]軸不是完全中心對稱分布而造成的。

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于OAM來說是最重要的特性之一，也是本設(shè)計的重要性能指標之一。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，那么就可以認為電磁波攜帶有軌道角動量。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，若將每個圓環(huán)貼片的兩個饋電相位差均由90°改為-90°時，又可產(chǎn)生模式數(shù)為-1的渦旋電磁波，此時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)計出一種由三個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，且每個圓環(huán)貼片均由兩個同軸線以位于不同的相對方位夾角來正交饋電，當每個圓環(huán)貼片的饋電相位差為90°或-90°時，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，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)尺寸更加簡易和緊湊，節(jié)約經(jīng)濟成本。天線的仿真結(jié)果比較理想，進而驗證了本文設(shè)計的有效性和創(chuàng)新性。

由于每個具有不同拓撲荷的OAM本征態(tài)相互之間都是正交且獨立的，因此在信道復(fù)用等具體應(yīng)用中，可將多個不同的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等應(yīng)用領(lǐng)域具有巨大的潛力和價值。與此同時，如何克服軌道角動量在傳播過程當中的衰落和畸變等困難，以及如何更加簡便且快捷地產(chǎn)生、傳輸和接收更多模式的軌道角動量等諸多問題，還有待解決。

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