一種用于產(chǎn)生OAM波束的集成圓極化天線陣列

祁 浩， 許建春， 郝亞楠， 張 茹

(北京郵電大學(xué)理學(xué)院， 北京 100876)

1 引 言

近年來(lái)，軌道角動(dòng)量(Orbital Angular Momentum，OAM)波束由于能有效地?cái)U(kuò)大信道容量、提高無(wú)線通信的頻譜效率而備受關(guān)注[1-6].與一般的平面波不同的是，OAM波束具有2πl(wèi) 的螺旋相位波前(其中，l是該波束的拓?fù)浜?，由于這一顯著特征，OAM波束也被稱為渦旋電磁波[7].理論上來(lái)說(shuō)，渦旋電磁波具有無(wú)限種不同的模態(tài)，并且不同模態(tài)之間都是相互正交互不干擾，這樣就可以將渦旋電磁波作為傳輸信號(hào)的載波，實(shí)現(xiàn)在同一頻率上同時(shí)發(fā)送多個(gè)信號(hào)，這為現(xiàn)有的無(wú)線通信復(fù)用技術(shù)提供了一種新的思路[8-10].

1992年，荷蘭科學(xué)家Allen等人證明了Laguerre-Gaussian激光束中攜帶OAM波束[11]，該電磁波沿著傳播方向螺旋向前傳輸，這首次引起了廣大研究人員對(duì)OAM波束的關(guān)注.之后一段時(shí)間內(nèi)，對(duì)OAM波束的相關(guān)研究都集中在光學(xué)領(lǐng)域，直到2007年，Thidé等人研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)圓環(huán)形相控陣天線可以在微波頻率處產(chǎn)生攜帶OAM的渦旋電磁波，首次將OAM波束的研究引入到射頻領(lǐng)域[7].2010年，Mohammadi等人通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)證明了相控陣天線產(chǎn)生OAM波束的方法[12].目前，產(chǎn)生渦旋電磁波的方式主要有螺旋相位板天線[13-15]、螺旋拋物面天線[16-17]、透射光柵天線和圓形相控陣天線[18-24]，前三種方法由于加工復(fù)雜且生成渦旋波模態(tài)單一等缺陷，因此通常會(huì)采用天線陣列的方式來(lái)產(chǎn)生渦旋電磁波，通過(guò)控制陣列單元數(shù)量和饋電相位的角度，可以很容易產(chǎn)生不同模態(tài)的渦旋電磁波.在文獻(xiàn)[18]和文獻(xiàn)[24]中分別提出了利用徑向均勻分布的圓形天線陣列和Rotman透鏡圓形天線陣列來(lái)產(chǎn)生多模態(tài)OAM波束，但這些陣元都是傳統(tǒng)的線極化天線，相鄰天線需要進(jìn)行等相位差饋電，這需要依賴于復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)，很大程度上限制了OAM波束的應(yīng)用.圓極化天線由于低輪廓、低成本和易于制作等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)[25-26].

本文提出了一種用于產(chǎn)生OAM波束的集成圓極化微帶天線陣列，對(duì)于圓極化天線的設(shè)計(jì)，利用CST MICROWAVE STUDIO電磁仿真軟件對(duì)天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)仿真與優(yōu)化，確定各參數(shù)后進(jìn)行天線的加工測(cè)試.然后將6個(gè)相同的圓極化天線依次順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一定角度組成一個(gè)陣列，相鄰陣元的饋電相位差可以用旋轉(zhuǎn)的角度來(lái)調(diào)整，通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在等幅等相位的饋電條件下，該陣列能夠在S波段產(chǎn)生模態(tài)為l =-1的OAM波束，解決了饋電網(wǎng)絡(luò)過(guò)于復(fù)雜這一問(wèn)題，在雷達(dá)和無(wú)線通信領(lǐng)域具有很好的實(shí)際應(yīng)用潛力.

2天線設(shè)計(jì)

圓極化微帶天線的示意圖如圖1所示，該結(jié)構(gòu)采用環(huán)氧玻璃樹脂F(xiàn)R-4材料作為介質(zhì)基板，其厚度為h=2 mm，相對(duì)介電常數(shù)εr= 3.5.圖1中(a)和(b)分別是天線結(jié)構(gòu)的頂層和三維結(jié)構(gòu)圖，可以看到，該天線的輻射面是由位于中心的正方形和4個(gè)半徑大小不同的圓形貼片組成，其中，半徑分別用r1，r2，r3，r4來(lái)表示，用接地面全部由銅箔覆蓋，正方形貼片和基板的長(zhǎng)度分別由W和L來(lái)表示.此外，所設(shè)計(jì)的天線采用簡(jiǎn)單的50 Ω同軸饋電方式，饋源位于x軸并且距離正方形貼片的距離為x0.

圖1 圓極化微帶天線的示意圖Fig.1 Schematic diagram of the circularly polarized microstrip antenna

因?yàn)?個(gè)圓形貼片的半徑大小對(duì)天線的圓極化特性有著重要的影響，通過(guò)適當(dāng)?shù)卣{(diào)整每個(gè)半徑的大小，可以實(shí)現(xiàn)不同的圓極化效果.當(dāng)所有圓形貼片半徑相等時(shí)，即r1= r2= r3= r4，當(dāng)端口被信號(hào)所激勵(lì)時(shí)，天線將呈現(xiàn)出線極化特性.如果當(dāng)半徑r1> r2> r3> r4時(shí)，天線將呈現(xiàn)右旋圓極化，反之，天線為左旋圓極化天線.

為了進(jìn)一步研究天線結(jié)構(gòu)對(duì)回波損耗和圓極化特性的影響，使用CST仿真軟件模擬了天線的S11參數(shù)和軸比(Axial Ratio，AR)性能，仿真結(jié)果如圖2和圖3所示.

圖2 回波損耗S11隨半徑r1，r2，r3和 r4的變化曲線Fig.2 The curve diagram of return loss changing with r1,r2,r3 and r4

圖3 天線軸比隨半徑r1，r2，r3和 r4的變化曲線Fig.3 The curve diagram of antenna axial ratio changing with r1,r2,r3 and r4

圖2(a)和圖3(a)分別描述了天線的回波損耗和軸比性能隨半徑r1的變化情況，當(dāng)r1從2.7 mm變化到3.1 mm時(shí)，天線的諧振頻點(diǎn)略微向右偏移，軸比諧振頻率向左移動(dòng)，當(dāng)r1= 2.8 mm時(shí)，軸比達(dá)到最優(yōu)值0.4 dB，軸比帶寬為3.79～3.85 GHz，此時(shí)天線的圓極化特性達(dá)到最佳，這說(shuō)明調(diào)節(jié)r1基本只影響天線的圓極化特性.如圖2(b)和圖3(b)所示，天線和軸比的諧振頻率隨著r2從2.3 mm增加到2.7 mm逐漸都向低頻處偏移，當(dāng)r2增大時(shí)，天線的回波損耗特性就越好，且當(dāng)r2= 2.6 mm時(shí)，圓極化特性達(dá)到最佳.類似于r1的變化情況，當(dāng)r3從1.3 mm增加到1.7 mm時(shí)，天線的諧振點(diǎn)保持不變且軸比諧振頻率向左移動(dòng)，結(jié)果如圖2(c)和圖3(c)所示，可以看到當(dāng)r3= 1.5 mm時(shí)，軸比達(dá)到最小值.圖2(d)和圖3(d)分別描述了天線的回波損耗和軸比性能隨半徑r4的變化情況，天線的諧振點(diǎn)和軸比諧振頻率均向左略微偏移，當(dāng)r4= 1.0 mm時(shí)，天線具有最佳的圓極化效果.基于以上仿真結(jié)果分析，最終確定了所設(shè)計(jì)天線結(jié)構(gòu)的參數(shù)，具體如下：W=16 mm, L = 32 mm, r1= 2.8 mm, r2= 2.6 mm, r3= 1.5 mm, r4= 1.0 mm, x0= 4.2 mm.

為進(jìn)一步驗(yàn)證單個(gè)圓極化天線的仿真結(jié)果，采用LPKF公司生產(chǎn)的印刷電路板加工設(shè)備對(duì)天線進(jìn)行加工制造，并利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)對(duì)其回波損耗S11進(jìn)行測(cè)量.圖4(a)為天線加工實(shí)物圖，圖4(b)顯示了所設(shè)計(jì)天線測(cè)試與仿真的S11的曲線圖，可以看到，仿真得到的S11<-10 dB的帶寬為3.74～3.96 GHz，在諧振處S11為-36 dB，而實(shí)際測(cè)量的S11<-10 dB的帶寬為3.78～3.99 GHz，諧振點(diǎn)略微向右偏移，最低處S11為-30 dB，通過(guò)對(duì)比，仿真與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果基本吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的圓極化微帶天線的可行性.

圖4 天線實(shí)物圖及其仿真測(cè)試結(jié)果 (a) 天線實(shí)物圖；(b) 天線仿真與測(cè)試的回波損耗S11Fig.4 Fabricated prototype of the antenna and its simulated and measured results

3 OAM天線陣列設(shè)計(jì)分析

對(duì)于傳統(tǒng)的相控陣天線方法來(lái)產(chǎn)生OAM波束，N個(gè)相同的陣元需要均勻放置在同一半徑的圓上，通過(guò)給每個(gè)陣元饋以等幅、等相位差的信號(hào)，相位差一般用φ=2πl(wèi)/N來(lái)表示[7]，其中，OAM波束的模態(tài)l取值與陣元的個(gè)數(shù)N有關(guān)，需滿足：-N/2

圖5 天線陣列的設(shè)計(jì)及其仿真結(jié)果(a)天線陣列示意圖；(b)遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖；(c)E面和H面方向圖；(d)電場(chǎng)相位分布圖Fig.5 The design of antenna array and its simulation results

在天線的工作頻段內(nèi)選取頻點(diǎn)f=3.8 GHz，對(duì)其仿真結(jié)果進(jìn)行觀察.圖5(b)為天線陣列的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖，可以看到，方向圖在中心處有明顯的凹陷，這與OAM波束的特性相符合，同時(shí)，所提出的天線陣列的模擬增益達(dá)到8.71 dB.圖5(c)為天線陣列E面和H面的方向圖，在0°和180°處，即軸線傳播方向，陣列增益急劇下降，電磁波輻射能量很低，這也能證明該陣列有OAM波束的產(chǎn)生.圖5(d)為距離陣列300 mm處的260 mm×260 mm平面上的電場(chǎng)相位分布圖.從相位圖可以看出，相位沿順時(shí)針方向改變了360°，對(duì)應(yīng)于OAM波束模態(tài)為l=-1的情形，基于以上分析，所設(shè)計(jì)的集成圓極化微帶天線可以穩(wěn)定地產(chǎn)生模態(tài)為l=-1的OAM波束.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

為了驗(yàn)證所提出設(shè)計(jì)的可行性，同樣采用印刷電路板加工設(shè)備對(duì)集成天線陣列進(jìn)行加工制作.圖6為圓極化天線陣列生成OAM波束的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)、功率分配器、線性導(dǎo)軌、簡(jiǎn)易升降裝置、集成天線陣列和接收天線組成.在該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，線性導(dǎo)軌的長(zhǎng)度為67 cm，天線陣列放置于接收天線的左側(cè)300 mm處，與仿真結(jié)果的距離保持一致.VNA的1端口通過(guò)功率分配器將頻率f=3.8 GHz的信號(hào)發(fā)送到集成天線陣列上，2端口連接線性導(dǎo)軌上的圓極化天線.通過(guò)調(diào)整天線陣列與接收天線的中心保持相同的高度，同時(shí)保持天線陣列與線性導(dǎo)軌平行，這樣就能夠保證接收天線剛好收到沿軸向傳播的電磁波，通過(guò)從左到右慢慢移動(dòng)線性導(dǎo)軌，可以得到OAM波束的一維空間分布，如圖7所示.圖7(a)和(b)分別為3.8 GHz頻率下OAM波束的一維空間電場(chǎng)幅度分布和相位分布，可以看到，在掃描中心處天線的接收能量達(dá)到最小，有一處明顯的凹陷，此時(shí)接收天線位于發(fā)射天線陣列的波束中空區(qū)域內(nèi).此外，在掃描中心處電場(chǎng)相位從-180°跳變?yōu)?80°，這也符合OAM波束模態(tài)l=1的特征.

圖6 用于生成OAM波束的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.6 Experimental system for generation of the OAM beams

為了更直觀的觀察OAM波束的電場(chǎng)分布，將集成的天線陣列固定在一個(gè)簡(jiǎn)易的升降平臺(tái)上，在保持接收天線的高度恒定的條件下，通過(guò)改變天線陣列的高度，可以得到OAM波束的近場(chǎng)電場(chǎng)分布圖，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示.圖8(a)描述了電場(chǎng)的幅度分布，此時(shí)掃描的平面大小為260 mm×200 mm，可以看到，在幅度中心處有一零強(qiáng)度區(qū)域，這里也是出現(xiàn)相位奇點(diǎn)的位置.電場(chǎng)的相位分布圖如圖8(b)所示，繞軸向一周后，相位改變了360°，同時(shí)根據(jù)旋向可以確定所提出的天線陣列能夠產(chǎn)生l=-1的OAM波束.綜上所述，測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果保持一致，這表明了圓極化天線陣列的設(shè)計(jì)具備一定的可行性.

圖7 OAM波束的一維空間分布(a) 幅度分布；(b) 相位分布Fig.7 One-dimensional spatial distribution of OAM beams

圖8 天線陣列的實(shí)測(cè)電場(chǎng)分布圖(a) 電場(chǎng)能量圖；(b) 相位分布圖Fig.8 Measured E-field distribution of the proposed antenna array

5 結(jié) 論

本文提出了一種使用集成圓極化微帶天線陣列來(lái)產(chǎn)生OAM波束，天線采用簡(jiǎn)單的同軸饋電方式.對(duì)于天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分別討論了一些重要參數(shù)對(duì)天線回波損耗和圓極化特性的影響，最終確定天線的工作頻率在3.74～3.96 GHz，軸比帶寬為3.79～3.85 GHz，天線整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，易于實(shí)現(xiàn).天線陣列由六個(gè)相同的圓極化天線依次沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)60°組成，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在等幅、等相位的饋電條件下，該天線陣列可以產(chǎn)生模態(tài)為l=-1的OAM波束，能有效解決饋電網(wǎng)絡(luò)過(guò)于復(fù)雜這一問(wèn)題，具有不錯(cuò)的實(shí)際應(yīng)用潛力.