基于多環結構的八模態渦旋波微帶天線

朱茂華 梁仙靈 姚羽 耿軍平 朱衛仁 金榮洪

(上海交通大學,上海200240)

引 言

當前無線通信所能分配的頻譜變得異常擁擠,采用各種復用技術如時分復用(time division multiplexing, TDM)、碼分復用(code division multiplexing, CDM)、頻分復用(frequency division multiplexing, FDM)等無線系統所能傳輸的信道容量已接近極限. 1992年荷蘭物理學家 L. Allen發現拉蓋爾-高斯分布的激光束擁有軌道角動量(orbital angular momentum,OAM),并證實存在無窮多個離散正交的OAM模態[1],利用不同模態的渦旋波束區分不同的傳輸信道,就可以實現模態復用,這一結論為OAM的應用提供了理論依據.

產生渦旋電磁波的核心是構建具有渦旋相位特性eilφ的電流源或磁流源[2-4]. 2007年,Thide等人[2]采用交叉偶極子構建圓形陣列,當陣列中的每個單元相比于相鄰單元形成一定的相位差時,天線方向圖所表現出的性質與拉蓋爾-高斯光束的螺旋性質十分相似,這一成果啟發了渦旋電磁波在微波段中的使用.2011年他們又提出修正的反射面天線,即將旋轉拋物面進行切割并抬升,使反射面具有螺旋上升的結構,從而也可產生渦旋電磁波[5]. 并于2012年采用大口徑螺旋拋物面天線在意大利威尼斯的瀉湖進行了渦旋電磁波傳輸實驗,實現了工作在2.414 GHz攜帶有兩個不同模態(l=0和l=1)的渦旋電磁波442 m遠距離傳播[6].

除了圓形陣列形式和螺旋反射面天線之外,渦旋電磁波也可以通過普通平面波束照射于渦旋相位板[7]、超材料反射表面[8]、賦形反射面[9]等實現天線口徑的渦旋相位分布. 值得注意的是,受加工成型所限,同一個渦旋相位板或反射表面至多能產生2～3個渦旋相位模態[10]. 而基于陣列產生多模態需要復雜的饋電網絡[11-13],如Rotman透鏡、Butler矩陣等網絡.

針對這一問題,本文基于圓形微帶貼片等效為環形磁流源這一原理,通過四個共面同心短路圓環微帶貼片,實現八模態(l=±1,±2,±3,±4)的渦旋電磁波束,并對該天線進行了加工和測試,驗證了天線性能.

1 天線結構

八模態渦旋電磁波微帶天線由四個短路同心圓環微帶貼片構成,如圖1所示. 每一圓環貼片的內環采用一圈的金屬化孔實現短路電壁,通過在圓環貼片上選擇合適的饋電位置,可激勵不同的高次模TMnm[14-15]. 四個圓環微帶貼片由里到外分別激勵起TM21模,TM31模,TM41模,TM51模. 其中TM21模和TM31模采用雙點同時激勵產生;考慮高階模易受相鄰模的影響, TM41模和TM51模采用四點同時激勵產生[16]. 每一個高次模可產生兩個正交的相同階次的OAM模態,即:TM21模用于產生l=±1,TM31模用于產生l=±2,TM41模用于產生l=±3,TM51模用于產生l=±4. 通過參數仿真與優化,天線的具體結構參數如表1所示.

(a) 俯視圖(a) Vertical view

(b) 側視圖(b) Side view圖1 渦旋波天線結構圖Fig.1 The structure of OAM antenna

表1 天線結構參數Tab.1 Parameters of the proposed OAM antenna

2 基本原理

每一短路同心圓環微帶貼片的內壁近似為理想的電壁,外壁近似為理想磁壁[17]. 由腔模理論,TMnm模的遠場可以表示為:

[Jn-1(k0aisinθ)-Jn+1(k0aisinθ)],

(1)

[Jn-1(k0aisinθ)+Jn+1(k0aisinθ)]cosθ.

(2)

(3)

(4)

聯合公式(1)、(2)和(3)、(4)可以得到:

[Jn-1(k0aisinθ)-Jn+1(k0aisinθ)],

[Jn-1(k0aisinθ)+Jn+1(k0aisinθ)]cosθ．

在直角坐標系下,總輻射電場的X和Y分量為:

[e-j(n-1)φJn-1(k0aisinθ)-e-j(n+1)φJn+1(k0aisinθ)],

(5)

[e-j(n-1)φJn-1(k0aisinθ)+e-j(n+1)φJn+1(k0aisinθ)]．

(6)

3 結果與分析

各端口仿真與測試的反射系數和隔離系數如圖2至圖5所示. 模態1端口阻抗帶寬(VSWR≤2)為140 MHz,模態2端口阻抗帶寬為120 MHz. 考慮到模態3和模態4均采用兩組同相饋電方式,即p5/p8,p6/p7,p9/p12,p10/p11均為直通端口,模態3和模態4的實際阻抗帶寬通過單端口激勵得到,模態3的端口阻抗帶寬為110 MHz,模態4的端口阻抗帶寬為100 MHz;各模態內部端口之間的隔離度均大于18 dB. 因此,當各端口以表2中的幅度和相位進行激勵時,即可產生八個模態的渦旋電磁波束. 圖6(a)為天線實物．天線測試時采用外接饋電網絡對天線各個模態進行饋電,外接饋電網絡如圖6(c)所示. 一階和二階分別采用一個一分二的功分器和兩根90°相差的電纜進行饋電,三階和四階分別采用一個一分四的功分器和兩組相差為90°的電纜進行饋電．各模態之間的端口實測隔離系數如圖7所示,天線的工作頻點產生了一定的頻偏,模態l=±1,±2,±3,±4的工作頻點分別大約為10.34 GHz,10.21 GHz,10.14 GHz,10.06 GHz,兩個相鄰模態頻差大約為100 MHz. 這主要是介電常數引起的相位變化,考慮兩個相鄰模態的相位差相同(均為2π),因此相鄰模態在頻率上進行偏移實現相位補償.

圖2 模態1的端口反射和隔離系數Fig.2 Reflection and isolation coefficients of mode 1

圖3 模態2的端口反射和隔離系數Fig.3 Reflection and isolation coefficients of mode 2

圖4 模態3的端口反射和隔離系數Fig.4 Reflection and isolation coefficients of mode 3

圖5 模態4的端口反射和隔離系數Fig.5 Reflection and isolation coefficients of mode 4

表2 各模態端口饋電相位和幅度Tab.2 The feed phase and amplitude of each mode

(a) 天線實物 (b) 測試實景 (a) Prototype (b) Test environment

(c) 饋電網絡(c) Feed network圖6 天線及饋電網絡Fig.6 Antenna and feed network

圖7 各模態之間的端口隔離系數Fig.7 The port isolations between each mode

天線的輻射相位仿真結果如圖8至11所示,該天線能產生八個OAM模態,且每個模態都擁有良好的渦旋相位特性. 天線的輻射方向圖仿真結果如圖12和圖13所示,各模態波束的主極化和交叉極化差值均大于15 dB,說明同一圓環上正負模態的隔離大于15 dB. 模態l=±1,±2,±3,±4的增益分別為4.8 dBi,4.1 dBi,5.1 dBi,5.3 dBi. 在微波暗室采用近場測試系統對天線進行測試,在天線近場范圍內選取一掃描截面(440 mm×440 mm),通過波導探頭對掃描截面進行幅相采樣. 圖6(b)為天線測試實景. 對應的X分量相位測試截面同樣如圖8至11所示,相比仿真結果,測試結果保持共8個模態的渦旋相位特性. 天線的工作頻點產生了一定的頻偏,但并不影響渦旋模態的產生,并且渦旋相位基本保持一致,驗證了多模短路圓環微帶貼片天線輻射多模渦旋電磁波的可行性.

(a) 仿真(a) Simulation

(b) 測試(b) Measurement圖8 模態l=±1的相位圖(10.3 GHz)Fig.8 Simulated and measured phase distribution l=±1(10.3 GHz)

(a) 仿真(a) Simulation

(b) 測試(b) Measurement圖9 模態l=±2的相位圖(10.2 GHz)Fig.9 Simulated and measured phase distribution l=±2(10.2 GHz)

(a) 仿真(a) Simulation

(b) 測試(b) Measurement圖10 模態l=±3的相位圖(10.1 GHz)Fig.10 Simulated and measured phase distribution l=±3(10.1 GHz)

(a) 仿真(a) Simulation

(b) 測試(b) Measurement圖11 模態l=±4的相位圖(10.0 GHz)Fig.11 Simulated and measured phase distribution l=±4(10.0 GHz)

(a) l=1 (b) l=2

(c) l=3 (d) l=4圖12 各模態仿真三維方向圖Fig.12 The simulated 3D radiation patterns of various modes

(a) l=1 (b) l=-1

(c) l=2 (d) l=-2

(e) l=3 (f) l=-3

(g) l=4 (h) l=-4圖13 各模態仿真二維方向圖Fig.13 The simulated 2D radiation patterns of various modes

4 結 論

本文運用短路多圓環形微帶貼片天線實現了八模態渦旋波束. 仿真和實驗結果表明,8個模態都擁有良好的渦旋相位特性. 該天線產生的渦旋波具有低復雜度、小尺寸等特點,為多模渦旋電磁波單天線的實現提供了一種新的思路,并且為將來的多模渦旋電磁波應用提供了一種新的可能.