X波段下产生涡旋电磁波的阵列天线设计

X波段下产生涡旋电磁波的阵列天线设计GULei;GUYifan;XIONGDeping;ZHOUShouli【摘要】随着无线通信应用的飞速发展，频谱资源日益紧张，射频频谱资源已日趋香农极限.为解决这个问题,无线通信中弓1入了携有轨道角动量(OrbitalAngularMomentumQAM)的涡旋电磁波，以有效提高频谱利用率.微带天线阵技术是产生涡旋电磁波常用的方法之一,以同轴馈电的矩形微带天线为阵元，设计了阵元数目分别为6,8,12的3种环形阵列天线，来产生携带有轨道角动量的涡旋电磁波.分析了不同轨道角动量模式数下，涡旋电磁波辐射能量和最大增益辐射角度变化情况.利用AnsoftHFSS仿真软件，在中心频率10GHz处，比较了阵元数目对电磁波的涡旋特性影响.仿真结果表明,更多数量的天线阵列产生的涡旋电磁波涡旋性能更好.【期刊名称】《无线电工程》【年(卷)，期】2019(049)003【总页数】6页(P238-243)【关键词】矩形微带天线;环形微带阵列;轨道角动量【作者】GULei;GUYifan;XIONGDeping;ZHOUShouli【作者单位】;;;【正文语种】中文【中图分类】TN8220引言轨道角动量(OrbitalAngularMomentum,OAM)是描述螺旋波束能量横向旋转特性的空间坐标维度［1-3］。OAM引起人们的关注源于1992年荷兰物理学家Allen，他发现拉盖尔高斯(Laguerre-Gaussian，LG)涡旋光束在近传播条件下携带OAM的光束可以等效为每个光子携带h(为轨道量子数或OAM模式数，可以取任意整数，h为普朗克常数)［4］。在光学领域引入OAM，光通信系统的传输能力得到很大程度的提升［2］。在无线电磁波领域，生成OAM无线电波束的方法主要是螺旋反射面结构和圆形阵列天线［5-7］。前者通过控制阵元辐射场的相位差产生想要的OAM模式波，但一个确定的几何结构只能产生一种模式的OAM波；后者通过配置不同的相位延时，可以产生不同OAM模式的无线电磁波束［8-10］。本文基于圆形阵列天线产生不同OAM模式的电磁波束。1OAM相关性质分别为0，1，2,3的4束电磁涡旋波的相位结构分布如图1所示。不同的值对应不同的OAM状态，其中=0表示平面电磁波。可以看出，若电磁涡旋模式数不同，则相应的波前相位分布、辐射方式也不同。相位波前绕着波束的传播方向旋转，旋转一周波束的相位改变场=2n。其轴向场和横向场同时存在，因此在传播方向上既有线性动量又有角动量。从理论上来说，可以取任意值，整数的OAM态也叫作本征态，非整数的OAM状态可以分解为整数OAM状态的傅里叶级数［11-12］。不同本征态的OAM互相正交，不会产生干扰，因此不同的涡旋状态可以独立进行传输，这些特性为OAM态的复用技术打下了基础。引入轨道角动量态复用技术，可以在同一个频段传输多路的信号，大大提高了信道频谱利用率［13-16］。图1电磁涡旋波的相位结构分布2天线阵元结构微带天线以剖面低、体积小、重量轻、可共形、易集成和馈电方式灵活等优点而得到越来越多的应用；由贴在带有金属地板的介质基片上的辐射贴片构成，一般介质基片的相对介电常数不超过10;常见的有矩形、方形和圆形等［17-18］。本文选择的天线阵元为矩形，并采用同轴馈电的方式，其三维结构示意图如图2所示。图2中，L和W分别为矩形贴片的长和宽；H为介质板基片厚度；Lc，Wc分别为接地板的长和宽；R1，R2分别为同轴馈电线与导体贴片和接地板的接触半径；feed为同轴馈电线圆心到导体贴片圆心的距离；介质基片材质采用介电系数sr=4.4的FR4；同轴馈线采用pec材质。通过矩形微带天线计算公式，可以计算得到贴片的尺寸，并由参考地平面比微带贴片大出6H的距离时计算结果可达到足够的准确，选取接地板的尺寸符合Lc>L+6H,Wc>W+6Ho图2单元天线结构基于以上理论值，采用HFSS仿真软件优化参数，最终得到了满足设计要求的矩形微带天线参数如表1所示。表1工作在10GHz的微带天线尺寸mmLWHfeedR1R2LcWc6.509.131.001.610.300.5012.5015.13仿真结果如图3、图4和图5所示，在中心频率点10GHz处，S11达到最低点为-25.9dB，相对频带宽度达到了8.6%，天线最大增益约为5.7dB，显示出该矩形微带天线良好的带宽特性和增益特性。由图4可知，天线方向性良好。图3微带天线回波损耗图4中=0°和中=90°的E面图图5总增益和3D辐射方向图3阵列结构设计以上述矩形微带天线为阵元，设计了阵元数目分别为6,8,12的3种圆环天线阵列结构，为表述方便分别命名为I型天线阵列、H型天线阵列和B型天线阵列。在3种阵列结构中，阵元等间隔的分布在绕Z轴的同心圆面上，分布半径为0.67入，具体三维示意图如图6所示。3种天线阵列均采取相邻阵元间相位差△中=2n/N等幅馈电的激励方式，其中是OAM模式数，N是天线阵元数目。通过设置不同的相位差，可产生不同模式数的OAM电磁波［19-21］。由文献［17］可知，圆形阵列天线所能产生的OAM模式数受阵元数目限制，即||<0.5N。可取-0.5N~0.5N的整数，的正负决定了相位波前沿传播方向的旋转方向。图6阵元数目分别为6,8,12天线阵列三维示意不同OAM模态下，3种天线阵列结构产生的电磁波的矢量电场图如图7、图8和图9所示。=0时，能量集中在Z轴，是平面波。通过对比可见，1型天线阵列下产生的电磁波束涡旋效果最差，并在=3时，不再呈现螺旋状，与已知理论相符［17,22］,即阵元数目为6的阵列天线能获得的OAM模式最大值为2。相比于I型、口型天线阵列结构，B型天线阵列结构产生的电磁波的涡旋性最好，体现了阵列结构中数目的优势。图7I型天线阵列不同模式(=0,1,2,3)OAM矢量图图8H型天线阵列不同模式(=0,1,2,3,4)OAM矢量图图9B-型天线阵列不同模式(=0,1,2,3,4)OAM矢量图I型、H型、B型天线阵列下不同模态OAM波束增益方向图如图10所示。可以发现，OAM模式数越大，天线的主辐射方向角，即辐射增益最大处与2轴正方向所成夹角，呈变大趋势，如果要获得更好的灵敏度，接收天线的位置要相应变化；增益带宽也随OAM模式数的增大而变宽，可以看出能量被分散，天线的方向性下降。图10I型、H型、B型天线阵列下不同模态OAM波束增益方向图B型天线阵列不同模式(=0,1,2,3)OAM的增益和对应的3D辐射方向图如图11所示。由图11可见，OAM模式数越大，天线辐射的总增益将下降，分别为13.7,10.3,6.5,6.4dB，下降幅度大。图11B型天线阵列不同模式(=0,1,2,3)OAM的增益和对应的3D辐射方向图4结束语本文通过电磁场EDA设计软件HFSS仿真设计了以矩形微带天线为阵元，能产生不同OAM模式数电磁波的圆形天线阵列。通过仿真发现，随着OAM模式数的增加，天线辐射的能量会分散。比较了阵元数目变化对产生的电磁波涡旋性的影响，仿真结果表明，阵列天线所能产生的OAM模式数受阵元数目限制，越多的阵元数获得的电磁波涡旋性更好。参考文献【相关文献】孙学宏，李强，庞丹旭，等.轨道角动量在无线通信中的研究新进展综述[J].电子学报，2015，43(11):2309-2311.TAMBURINIF，MARIE，ThideB，etal.ExperimentalVerificationofPhotonAngularMomentumandVorticitywithRadioTechniques[J].Appl.Phys.Lett.，2011，99:204102.TAMBURINIF，THIDEB，THENH，etal.EncodingManyChannelsontheSameFrequencythroughRadioVorticity:FirstExperimentalTest[J].NewJournalofPhysics，2012，14(3):033001.ALLENL，BEIJERBERGENMW,SPREEUWRC,etal.OrbitalAngularMomentumofLightandtheTransformationofLagurre-GaussianLaserModes[J].PhysicalReviewA,1992,45(11):8185-8189.胡一恭.轨道角动量在无线通信中的应用研究[J].通信技术，2017,50(9):1883-1890.MOHAMMADISM,DALDORFFLS,etal.OrbitalAngularMomentuminRadio:aSystemStudy[J].IEEETransactionsonAntennaandPropagation,2010,58(2):565-572.党唯某，朱永忠，余阳，等.无线通信中的轨道角动量天线综述[J].电子技术应用，2017,43(6):33-36.FABRIZIOT,ELETTRAM,BOT,etal.ExperimentalVerificationofPhotonAngularMomentumandVorticitywithRadioTechniques[J].AppliedPhysicsLetters,2011,99(20):321.LIUKang，LIUHongyan，QINYuliang，etal.GenerationofOAMBeamsUsingPhasedArrayintheMicrowaveBand[J].IEEETransactionsonAntennasandPropagation，2016，64(9):3850-3857.ZANGY,FENGW,GEN,etal.OntheRestrictionofUtilizingOrbitalAngularMomentuminRadioCommunications[C]ll20138thInternationalConferenceonCommunicationsandNetworkinginChina(CHINACOM),2013.WEIW,MAHDJOUBIKK,BROUSSEAUC,etal.GenerationofOAMWaveswithCircularPhaseShifterandArrayofPatchAntennas[J].ElectronicsLetters,2015,51(6):442-443.THIDEB,THENH,SJOHOLMJ,etal.UtilizationofPhotonOrbitalAngularMomentumintheLowFrequencyRadioDomain[J].PhysicalReviewLetters,2007,99(8):87-91.HUIX,ZHENGS,CHENY,etal.MultiplexedMillimeterWaveCommunicationwithDualOrbitalAngularMomentum(OAM)ModeAntennas[J].ScientificReports,2015(5):10148.周守利，顾易帆，赵伟琳，等.Ku波段电磁涡旋相控阵列天线设计[J].哈尔滨工业大学学报，2017,49(10):106-111.窦海鹏，张文梅.一种双频带涡旋电磁波微带天线[J].测试技术学报，2018,32(1):45-49.方路平，马誉尧，林珏伟，等.Ku/K波段双频涡旋电磁阵列天线设计[J].强激光与粒子束，2018,30(1):93-97.BAIQ,TENNANTA,ALLENB,etal.GenerationofOrbitalAngularMomentum(OAM)RadioBeamswithPhasedPatchArray[C]llALAPCAntennasandPropagationConference,LoughboroughUK:IEEE,2013:410-413.李强，孙学宏，庞丹旭，等.基于多模态OAM涡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