基于5GHz無(wú)線頻段的環(huán)形OAM微帶陣列天線設(shè)計(jì)

常偉 孫學(xué)宏 劉麗萍 孫牧歌 席國(guó)法

關(guān)鍵詞： 5 GHz無(wú)線頻段; 渦旋電磁波; 環(huán)形陣列天線; 饋電網(wǎng)絡(luò); 軌道角動(dòng)量; 頻譜資源; 螺旋相位

中圖分類號(hào)： TN828?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）01?0014?05

Abstract： The shortage of the spectrum resources and low utilization of the spectrum have become the important factors hindering the development of wireless communication technology and Internet of Things. The orbital angular momentum （OAM） as a new technology of wireless communication has attracted extensive attention. A ring?shaped OAM microstrip array antenna based on 5 GHz wireless frequency band is proposed， and a feeding network composed of phase shifter with variable length and U?type phase shifter is designed. The specific realization of the feeding phase difference between the radiation array elements and related performance parameters of array antenna are analyzed. The results show that the OAM beam radiated by the array antenna has obvious helical phase wavefront structure， can generate the stable OAM vortex electromagnetic wave. The array antenna has the advantages of simple structure and easy processing， and has a certain reference value to solve the contradiction between channel capacity requirement and spectrum resources shortage in future wireless communication system.

Keywords： 5 GHz wireless frequency band; vortex electromagnetic wave; ring?shaped array antenna; feeding network; orbital angular momentum; spectrum resource; helical phase

0 ?引 ?言

隨著以信息交互與傳輸為主的物聯(lián)網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，物聯(lián)網(wǎng)已成為頻譜資源需求的大戶。影響物聯(lián)網(wǎng)實(shí)際效率的WiFi技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要是IEEE 802.11，要實(shí)現(xiàn)IEEE 802.11ac千兆數(shù)據(jù)速率的唯一方法是使用5 GHz頻段，而且IEEE 802.11ac通信標(biāo)準(zhǔn)僅在5 GHz頻段上工作，因此采用這一規(guī)范的網(wǎng)絡(luò)幾乎不會(huì)與其他無(wú)線設(shè)備發(fā)生沖突。毫無(wú)疑問(wèn)，如果能夠更好地利用軌道角動(dòng)量[1]（Orbital Angular Momentum，OAM）渦旋電磁波的復(fù)用技術(shù)來(lái)提高5 GHz無(wú)線頻段的頻譜利用率，必將使物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備擁有更多的頻譜復(fù)用資源。

攜帶OAM的電磁波就是渦旋電磁波。渦旋電磁波的產(chǎn)生是通過(guò)在正常電磁波上添加一個(gè)與空間方位角[φ]相關(guān)的旋轉(zhuǎn)相位因子[ejlφ]，將正常電磁波轉(zhuǎn)變?yōu)闇u旋電磁波。此時(shí)電磁波波前將不再是平面結(jié)構(gòu)，而是繞著波束傳播方向旋轉(zhuǎn)，呈現(xiàn)出一種螺旋相位結(jié)構(gòu)，可以表示為[U（r，φ）=A（r）×ejlφ]。其中：[A（r）]表示正常電磁波的幅度值;[r]表示到波束中心軸線的輻射距離;[φ]表示為方位角;[l]表示為軌道角動(dòng)量的模態(tài)值。理論上講，不同模態(tài)值的渦旋電磁波是相互正交且相互之間不會(huì)產(chǎn)生干擾。利用這一特性，可以在同一帶寬內(nèi)并行傳輸多路攜帶信息的渦旋電磁波[2]。OAM在光學(xué)中已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，通過(guò)引入OAM，光通信系統(tǒng)的傳輸能力得到很大程度的擴(kuò)展[3]。在光學(xué)中產(chǎn)生OAM波束的方法也有很多，比如螺旋相位板[4]（SPP）、計(jì)算干涉型全息圖[5]、超平面[6]等方法。

當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)關(guān)于OAM的研究主要在光學(xué)領(lǐng)域，對(duì)無(wú)線通信頻段的OAM渦旋電磁波研究還處于起步階段。近幾年的最新研究成果表明，軌道角動(dòng)量已經(jīng)不僅僅局限在光領(lǐng)域內(nèi)，也可以應(yīng)用在無(wú)線電領(lǐng)域中。2007年，文獻(xiàn)[7]提出將光子軌道角動(dòng)量應(yīng)用于低頻無(wú)線通信領(lǐng)域，開創(chuàng)了將軌道角動(dòng)量應(yīng)用在無(wú)線通信領(lǐng)域中的先河。此后，關(guān)于軌道角動(dòng)量產(chǎn)生方法的研究在很多文獻(xiàn)中出現(xiàn)，文獻(xiàn)[8]系統(tǒng)研究了利用偶極子陣列天線產(chǎn)生攜帶OAM的電磁波束，文獻(xiàn)[9]進(jìn)一步提出一種時(shí)間開關(guān)陣列（Time?switched Array，TSA），可以產(chǎn)生多個(gè)模態(tài)的OAM值。文獻(xiàn)[10]采用一種螺旋拋物面天線和八木天線驗(yàn)證了攜帶軌道角動(dòng)量電磁波在無(wú)線通信信息傳輸中的可行性，但其結(jié)構(gòu)不夠輕巧，而且要實(shí)現(xiàn)多模態(tài)OAM波束就必須改變天線的結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[11]利用圓極化貼片天線生成了OAM電磁波，文獻(xiàn)[12?13]使用三極化圓喇叭天線陣列生成了OAM無(wú)線電磁波，但其輻射效率比較低。同時(shí)，國(guó)內(nèi)針對(duì)產(chǎn)生OAM的微帶陣列天線帶寬窄的缺點(diǎn)，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了工作在L波段的多模態(tài)OAM新型微帶寬頻陣列天線[14]，這種天線的饋電要求相對(duì)復(fù)雜。文獻(xiàn)[15]提出用超表面將圓極化波轉(zhuǎn)化為OAM波束，此方法要求超表面尺寸要足夠大。文獻(xiàn)[16]也設(shè)計(jì)了圓形天線陣產(chǎn)生OAM渦旋波束，但僅實(shí)現(xiàn)了在X波段OAM波束的產(chǎn)生。

綜上分析，上述的OAM渦旋電磁波產(chǎn)生方法很難應(yīng)用于實(shí)際的5 GHz無(wú)線頻段通信系統(tǒng)中。因此，尋找合適的OAM渦旋電磁波產(chǎn)生方法并將其應(yīng)用于未來(lái)的5 GHz無(wú)線通信系統(tǒng)中已成為當(dāng)下亟需解決的問(wèn)題。本文基于環(huán)形陣列天線產(chǎn)生OAM渦旋電磁波的原理，設(shè)計(jì)了一種工作在5 GHz無(wú)線頻段的環(huán)形OAM微帶陣列天線。為了實(shí)現(xiàn)陣元間饋電相位依次遞增或遞減相同的相移增量，又設(shè)計(jì)了相應(yīng)的饋電網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)對(duì)陣列天線相關(guān)性能參數(shù)的分析，證實(shí)了環(huán)形OAM微帶陣列天線性能良好，輻射出的波束符合OAM渦旋電磁波最關(guān)鍵的特征。此陣列天線具有重量輕、剖面低、易加工等特點(diǎn)，對(duì)提高未來(lái)無(wú)線通信系統(tǒng)容量和頻譜利用率具有一定的指導(dǎo)作用。

1 ?環(huán)形陣列天線模型及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

因?yàn)榄h(huán)形陣列天線的陣因子有螺旋相位[e-jlφ]，所以本文采用環(huán)形陣列天線產(chǎn)生穩(wěn)定的OAM渦旋電磁波。圖1表示環(huán)形陣列天線模型，其中[φ]表示方位角，[θ]表示俯仰角，[R]表示環(huán)的半徑，[r]表示觀測(cè)點(diǎn)到環(huán)形陣列天線的參考點(diǎn)[O]的距離。

1.2 ?饋電網(wǎng)絡(luò)

圖4是饋電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)圖，為了使陣列天線的單元微帶貼片天線實(shí)現(xiàn)輻射陣元間45°的饋電相位差，產(chǎn)生模態(tài)值為+1的OAM渦旋電磁波，選用的饋電網(wǎng)絡(luò)主要由物理長(zhǎng)度可變的移相器構(gòu)成。從A端口背面進(jìn)行同軸饋電，A處到B處的微帶線長(zhǎng)度為[Lab]，A處到C處的微帶線長(zhǎng)度為[Lac]，要求[Lab]比[Lac]長(zhǎng)[λg8]，[λg]表示介質(zhì)中的波長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)了B處比C處有45°相位延遲。因?yàn)殛嚵刑炀€的圓環(huán)半徑大小將會(huì)影響陣列天線的性能，所以在饋電網(wǎng)絡(luò)中增加了U型移相器，相應(yīng)的減小了饋電網(wǎng)絡(luò)空間，也就減小了圓環(huán)的半徑，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了D處90°的相位延遲和E處135°相位延遲。整個(gè)饋電網(wǎng)絡(luò)由上下部分中心旋轉(zhuǎn)得到，可以為F，G，H，I陣元提供另外的180°相移，環(huán)形陣列天線的半徑約為[0.7λg]。

2 ?仿真分析

本文利用三維電磁仿真軟件HFSS對(duì)設(shè)計(jì)的環(huán)形微帶陣列天線進(jìn)行仿真，由圖5的回波損耗[S11]和圖6的電壓駐波比VSWR這兩個(gè)天線主要性能參數(shù)可以看出，各陣元之間的耦合效應(yīng)較小且各陣元的諧振頻率具有良好的一致性。

陣列天線的[S11]參數(shù)在5.28～5.47 GHz范圍內(nèi)小于-10 dB，在中心工作頻率5.39 GHz處，[S11]參數(shù)達(dá)到-41.15 dB。從圖6的電壓駐波比VSWR可以得出，陣列天線在中心工作頻率5.39 GHz處達(dá)到了1.05左右，在工作頻帶5.33～5.44 GHz之間，電壓駐波比VSWR的參數(shù)均小于1.5。天線阻抗匹配良好，滿足天線設(shè)計(jì)的性能要求。

同時(shí)由圖7的環(huán)形微帶陣列天線的E，H面增益方向圖可以看出，在工作頻帶內(nèi)該陣列天線的增益性良好且與回波損耗[S11]以及圖8的環(huán)形微帶陣列天線的3D遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖較好的吻合。

圖9表示的是環(huán)形微帶陣列天線產(chǎn)生波束的相位分布圖，可以明顯觀察到，該陣列天線產(chǎn)生的波束有著明顯的連續(xù)相位變換，渦旋波束的相位波前繞渦旋中心旋轉(zhuǎn)一周，相位改變了2π，稱作模態(tài)值為[l=1]的OAM渦旋波束，且呈現(xiàn)出螺旋相位波前結(jié)構(gòu)，符合OAM渦旋電磁波最關(guān)鍵的特征。圖10為模態(tài)值為±1的電場(chǎng)分布圖，進(jìn)一步說(shuō)明了設(shè)計(jì)的環(huán)形微帶陣列天線能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的OAM渦旋電磁波。

3 ?結(jié) ?論

本文基于環(huán)形微帶陣列天線工作原理，提出一種基于5 GHz無(wú)線頻段的環(huán)形OAM微帶陣列天線。仿真結(jié)果表明，在其對(duì)應(yīng)的工作頻帶內(nèi)天線性能良好，陣列天線產(chǎn)生的波束具有一定的螺旋相位波前結(jié)構(gòu)，符合OAM渦旋電磁波特征，可以成功產(chǎn)生OAM渦旋電磁波。由于該環(huán)形微帶陣列天線選用的材料并非理想材料，各陣元之間會(huì)存在一定的耦合干擾，從而導(dǎo)致OAM渦旋電磁波并不一定完全存在旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，但該陣列天線與饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易于加工，對(duì)OAM渦旋電磁波在未來(lái)無(wú)線通信中的發(fā)展以及在5 GHz無(wú)線頻段的實(shí)際應(yīng)用都具有一定的研究與參考價(jià)值，具體在無(wú)線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用還需進(jìn)一步探究與驗(yàn)證。

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