1-bit模態(tài)可重構(gòu)渦旋電磁波天線研究

郭曉斌，李秀萍，齊紫航，朱 華

(1.北京郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，北京 100876；2.北京郵電大學(xué) 泛網(wǎng)無線通信教育部重點實驗室，北京 100876)

0 引言

隨著無線通信技術(shù)日新月異地飛速發(fā)展，高速率、超寬帶已成為無線通信技術(shù)的主要發(fā)展方向。攜帶有軌道角動量(Orbital Angular Momentum，OAM)的渦旋電磁波具有整數(shù)倍模態(tài)正交性，通過在同一頻點進行OAM復(fù)用來提高頻譜效率，增加信道容量。在1992年，荷蘭物理學(xué)家L.Allen[1]率先發(fā)現(xiàn)拉蓋爾高斯光束(Laguerre-Gaussian，LG)攜帶有e-jlφ的相位因子，并證明了LG激光束攜帶軌道角動量。2011年，Bo Thidé等人[2]成功利用電磁渦旋進行了通信試驗，證實了在現(xiàn)實環(huán)境下，對不同OAM模態(tài)的渦旋電磁波進行編碼，可以在同一頻率同時傳輸多路信息。2017年，葛曉虎團隊[3]將OAM技術(shù)與空間調(diào)制技術(shù)結(jié)合，研究了傳輸距離較遠、傳輸速率和能量效率高于傳統(tǒng)MIMO的OAM空間調(diào)制無線通信系統(tǒng)。

在軌道角動量渦旋電磁波發(fā)展的同時，新型人工電磁表面也得到了廣泛的關(guān)注。近年來，對多功能無源超表面應(yīng)用于OAM波束進行了探索[4-5]。利用液晶材料[6-7]、變?nèi)荻O管[8-10]和RF-MEMS技術(shù)[11]等有源器件來改變每個元件的相位，從而靈活地操縱電磁波。其中，與PIN二極管集成的數(shù)字編碼超表面在頻譜調(diào)制方面引起了人們的興趣[12-14]，一方面避免了復(fù)雜的饋網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)[15-17]，降低了成本；另一方面可以實現(xiàn)電磁波的動態(tài)調(diào)控，有利于在實際通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。

基于上述背景，提出了一款工作在Ku頻段的1-bit模態(tài)可重構(gòu)的渦旋電磁波反射陣天線，通過在超表面單元上加載PIN二極管，實現(xiàn)了渦旋電磁波模態(tài)的動態(tài)調(diào)控。其中，單元上加載的2個PIN二極管為反向連接，可以實現(xiàn)反射波90°極性轉(zhuǎn)化。天線陣列在11.5～13.5 GHz成功產(chǎn)生攜帶了l為0，±1，±2的渦旋電磁波，實現(xiàn)了16%的OAM帶寬。

1 1-bit超表面單元設(shè)計

單元結(jié)構(gòu)如圖1所示。單元的設(shè)計采用2層介質(zhì)基板，其中介質(zhì)板1為Arlon AD255(εr=2.55，tanδ=0.001 5)，介質(zhì)板2為FR4(εr=4.4，tanδ=0.02)。該輻射單元由帶有4個矩形槽的正方形貼片和相位延遲線組成，位于介質(zhì)板1上表面。在貼片中心設(shè)計金屬過孔，將貼片與地面連接，相位延遲線通過金屬過孔連接延伸到介質(zhì)板2底部。相位延遲線末端連接直流電壓偏置線以及扇形枝節(jié)，通過引入直流電去驅(qū)動PIN二極管的通斷和阻止微波信號泄露。為了使單元能夠?qū)崿F(xiàn)相位補償和90°極化旋轉(zhuǎn)，單元上的2個二極管設(shè)計為反向連接，使得2個PIN二極管加載的電壓呈相反極性。

(a) 俯視圖

當(dāng)輸入電壓為-1.33 V時，二極管PIN1狀態(tài)為截止，二極管PIN2狀態(tài)為導(dǎo)通，狀態(tài)記為“on”，對應(yīng)的反射相位記為40°。當(dāng)輸入電壓為1.33 V時，二極管PIN1狀態(tài)為導(dǎo)通，二極管PIN2狀態(tài)為截止，狀態(tài)記為“off”，對應(yīng)的反射相位記為220°，2個狀態(tài)相位差值為180°。二極管采用MACOM公司生產(chǎn)的MA4AGFCP910。在模型仿真中，利用集總元件去代替二極管的導(dǎo)通與截止的2種狀態(tài)，其中導(dǎo)通狀態(tài)用5.2 Ω的電阻代替，截止?fàn)顟B(tài)用18 fF的電容代替。單元模型具體參數(shù)如下：p=9.2 mm，d=5.6 mm，h1=1.524 mm，h2=0.5 mm，dx=0.5 mm，dy=1 mm。

使用電磁仿真軟件對該模型進行分析，二極管處于“on”態(tài)和“off”態(tài)2種狀態(tài)下得到的反射系數(shù)幅值曲線如圖2和圖3所示。

圖2 單元在“on”態(tài)時頻率與反射系數(shù)幅值的關(guān)系曲線

圖3 單元在“off”態(tài)時頻率與反射系數(shù)幅值的關(guān)系曲線

Ryx表示入射x極化波反射y極化波的反射率，Rxy表示入射y極化波反射x極化波的反射率，Rxx和Ryy表示反射同極化入射波的反射率。如圖2所示，Rxy和Ryx的幅度均接近0 dB，Rxx和Ryy在11.8～13.6 GHz均小于-10 dB。圖3中的Rxy和Ryx的幅度也均接近0 dB，Rxx和Ryy在11.8～13.6 GHz均小于-10 dB。圖2和圖3結(jié)果表明，該單元在帶寬內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)90°極化旋轉(zhuǎn)。

單元在“on”態(tài)和“off”態(tài)時反射系數(shù)的相位如圖4所示?？梢钥闯觯?1～14 GHz，二極管處于“on”態(tài)和“off”態(tài)2種狀態(tài)，反射相位始終相差180°，說明該單元能夠?qū)崿F(xiàn)寬帶的相位補償。

圖4 單元在“on”態(tài)和“off”態(tài)時反射系數(shù)的相位

反射單元對平面波入射角度的敏感度是衡量反射單元性能的重要指標(biāo)。如圖5所示，當(dāng)入射波的角度θi在0～40°時，單元在11～14 GHz頻段內(nèi)，其“on”態(tài)和“off”態(tài)2個狀態(tài)的反射相位差基本在180°±20°的范圍內(nèi)，說明該單元對入射角度不敏感，具有良好的斜入射穩(wěn)定特性。

圖5 入射波角度與單元在“on”態(tài)和“off”態(tài)時相位差的關(guān)系曲線

2 1-bit反射陣天線的設(shè)計

2.1 相位補償

1-bit渦旋電磁波反射陣天線示意圖如圖6所示。反射陣天線中饋源到陣列中每個單元的空間距離不同。為了能夠反射出聚集的波束，首先需要補償喇叭天線的相位中心到陣面上單元之間的空間相位差，以實現(xiàn)天線在固定方向的波束聚焦。

圖6 1-bit渦旋電磁波反射陣天線示意

單元的相位分布由入射波相位和來自于單元的反射相位兩部分組成：

φR=φ1+φ2，

(1)

式中，φ1為入射波相位，其相位補償結(jié)果體現(xiàn)為平面反射波；φ2為單元提供的反射相位之和，代表了當(dāng)入射方向為(θ0,φ0)時，陣面上每個單元的相位分布。因此，陣面上各個單元的相位分布為：

φ1=k0dmn，

(2)

φ2=-k0sinθ0(cosφ0xmn+sinφ0ymn)，

(3)

式中，k0是電磁波在自由空間中的傳播常數(shù)；(xmn,ymn)為陣列中第mn個單元的坐標(biāo)；dmn為饋源的相位中心到第mn個單元的距離。所設(shè)計的天線的主波束方向θ0=0°，因此φ2項為0，實際需要的相位補償為：

φR=k0dmn。

(4)

渦旋電磁波是攜帶了OAM的電磁波，其表達式為：

V(r,φ)=A(r)e-jlφ，

(5)

式中，A(r)為渦旋電磁波的幅值；l為OAM模態(tài)數(shù)，可以取值為任意自然數(shù)；φ為在波束法平面上的方位角，變化范圍0～2π。要產(chǎn)生攜帶有OAM的渦旋電磁波束，則需要在波束的法平面上形成具有e-jlφ相位因子的螺旋相位分布。綜上所述，渦旋電磁波反射陣天線陣面上第mn個單元所需提供的補償相位φOAM可表示為：

(6)

2.2 陣面設(shè)計

基于上述單元，設(shè)計了一款1-bit渦旋電磁波反射陣天線。該天線陣面大小為100 mm × 100 mm，由15×15個單元組成。為了避免出現(xiàn)反射陣天線后向波束增益過大的情況，使得空間饋源的有效輻射范圍覆蓋到反射陣天線的整個陣面，在設(shè)置焦徑比(F/D)時考慮了饋源喇叭有效的輻射角度θ0。通過仿真得到線極化喇叭的10 dB波束寬度角為76°，則F/D=0.78。1-bit反射陣不同模態(tài)的相位補償示意圖如圖7所示，當(dāng)1-bit反射陣輻射不同模態(tài)時，陣面各單元上的PIN二極管需要不同的通斷狀態(tài)來實現(xiàn)相位補償。

(a) l=0

3 仿真結(jié)果及分析

為了分析反射陣天線近場區(qū)的電場相位和幅值特性，在距離天線陣列20λ(@12.5 GHz)處取6λ×6λ的觀測面。不同頻率處的電場幅度分布和相位分布如圖8所示。

從圖8中可以觀測到，當(dāng)軌道角動量的模態(tài)l=0時，輻射的是平面電磁波。當(dāng)l≠0時，攜帶軌道角動量的電磁波電場幅值呈圓環(huán)狀，有明顯的“空洞”特性，電場相位分布呈無畸變的螺旋狀。這表明在11.5～13.5 GHz的頻率范圍內(nèi)，1-bit反射陣天線具有動態(tài)控制模態(tài)的功能。

圖8 1-bit反射陣在11.5，12.5，13.5 GHz的電場特性：(a)，(c)，(e)，(g)，(i)分別是模態(tài)l為0，-1，+1，-2，+2的電場幅度分布；(b)，(d)，(f)，(h)，(j)分別是模態(tài)l為0，-1，+1，-2，+2的電場相位分布

4 結(jié)束語

本文提出了一款可以實現(xiàn)90°極性轉(zhuǎn)化的1-bit模態(tài)可重構(gòu)單元，通過單元上的2個二極管正反連接實現(xiàn)了90°極性轉(zhuǎn)化?；诖藛卧O(shè)計了一款口徑尺寸為138 mm×138 mm的1-bit可重構(gòu)OAM渦旋電磁波天線，實現(xiàn)了OAM模態(tài)的靈活切換，提供了一種根據(jù)外部動態(tài)需求來調(diào)整電磁表面相位的分布，進而實現(xiàn)期望的輻射功能的方法，為將來OAM復(fù)用傳輸?shù)於嘶A(chǔ)，在無線通信系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用前景。