X波段下產(chǎn)生渦旋電磁波的陣列天線設(shè)計(jì)

顧 磊，顧易帆，熊德平，周守利

(1.杭州蕭山技師學(xué)院，浙江 杭州 311201；2.浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310023；3.廣東工業(yè)大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，廣東 廣州510006)

0 引言

軌道角動(dòng)量(Orbital Angular Momentum，OAM)是描述螺旋波束能量橫向旋轉(zhuǎn)特性的空間坐標(biāo)維度[1-3]。OAM引起人們的關(guān)注源于1992年荷蘭物理學(xué)家Allen，他發(fā)現(xiàn)拉蓋爾高斯(Laguerre-Gaussian，LG)渦旋光束在近傳播條件下攜帶OAM的光束可以等效為每個(gè)光子攜帶h(為軌道量子數(shù)或OAM模式數(shù)，可以取任意整數(shù)，h為普朗克常數(shù))[4]。在光學(xué)領(lǐng)域引入OAM，光通信系統(tǒng)的傳輸能力得到很大程度的提升[2]。在無線電磁波領(lǐng)域，生成OAM無線電波束的方法主要是螺旋反射面結(jié)構(gòu)和圓形陣列天線[5-7]。前者通過控制陣元輻射場的相位差產(chǎn)生想要的OAM模式波，但一個(gè)確定的幾何結(jié)構(gòu)只能產(chǎn)生一種模式的OAM波；后者通過配置不同的相位延時(shí)，可以產(chǎn)生不同OAM模式的無線電磁波束[8-10]。本文基于圓形陣列天線產(chǎn)生不同OAM模式的電磁波束。

1 OAM相關(guān)性質(zhì)

圖1 電磁渦旋波的相位結(jié)構(gòu)分布

2 天線陣元結(jié)構(gòu)

微帶天線以剖面低、體積小、重量輕、可共形、易集成和饋電方式靈活等優(yōu)點(diǎn)而得到越來越多的應(yīng)用；由貼在帶有金屬地板的介質(zhì)基片上的輻射貼片構(gòu)成，一般介質(zhì)基片的相對(duì)介電常數(shù)不超過10；常見的有矩形、方形和圓形等[17-18]。本文選擇的天線陣元為矩形，并采用同軸饋電的方式，其三維結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。圖2中，L和W分別為矩形貼片的長和寬；H為介質(zhì)板基片厚度；Lc，Wc分別為接地板的長和寬；R1，R2分別為同軸饋電線與導(dǎo)體貼片和接地板的接觸半徑；feed為同軸饋電線圓心到導(dǎo)體貼片圓心的距離；介質(zhì)基片材質(zhì)采用介電系數(shù)εr=4.4的FR4；同軸饋線采用pec材質(zhì)。通過矩形微帶天線計(jì)算公式，可以計(jì)算得到貼片的尺寸，并由參考地平面比微帶貼片大出6H的距離時(shí)計(jì)算結(jié)果可達(dá)到足夠的準(zhǔn)確，選取接地板的尺寸符合Lc≥L+6H，Wc≥W+6H。

圖2 單元天線結(jié)構(gòu)

基于以上理論值，采用HFSS仿真軟件優(yōu)化參數(shù)，最終得到了滿足設(shè)計(jì)要求的矩形微帶天線參數(shù)如表1所示。

表1 工作在10 GHz的微帶天線尺寸 mm

仿真結(jié)果如圖3、圖4和圖5所示，在中心頻率點(diǎn)10 GHz處，S11達(dá)到最低點(diǎn)為-25.9 dB，相對(duì)頻帶寬度達(dá)到了8.6%，天線最大增益約為5.7 dB，顯示出該矩形微帶天線良好的帶寬特性和增益特性。由圖4可知，天線方向性良好。

圖3 微帶天線回波損耗

圖4 φ=0°和φ=90° 的E面圖

圖5 總增益和3D輻射方向圖

3 陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以上述矩形微帶天線為陣元，設(shè)計(jì)了陣元數(shù)目分別為6，8，12的3種圓環(huán)天線陣列結(jié)構(gòu)，為表述方便分別命名為Ⅰ型天線陣列、Ⅱ型天線陣列和Ⅲ型天線陣列。在3種陣列結(jié)構(gòu)中，陣元等間隔的分布在繞Z軸的同心圓面上，分布半徑為0.67λ，具體三維示意圖如圖6所示。3種天線陣列均采取相鄰陣元間相位差Δφ=2π/N等幅饋電的激勵(lì)方式，其中是OAM模式數(shù)，N是天線陣元數(shù)目。通過設(shè)置不同的相位差，可產(chǎn)生不同模式數(shù)的OAM電磁波[19-21]。由文獻(xiàn)[17]可知，圓形陣列天線所能產(chǎn)生的OAM模式數(shù)受陣元數(shù)目限制，即||<0.5N?？扇?0.5N～0.5N的整數(shù)，的正負(fù)決定了相位波前沿傳播方向的旋轉(zhuǎn)方向。

圖6 陣元數(shù)目分別為6，8，12天線陣列三維示意

不同OAM模態(tài)下，3種天線陣列結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的電磁波的矢量電場圖如圖7、圖8和圖9所示。=0時(shí)，能量集中在Z軸，是平面波。通過對(duì)比可見，Ⅰ型天線陣列下產(chǎn)生的電磁波束渦旋效果最差，并在=3時(shí)，不再呈現(xiàn)螺旋狀，與已知理論相符[17，22]，即陣元數(shù)目為6的陣列天線能獲得的OAM模式最大值為2。相比于Ⅰ型、Ⅱ型天線陣列結(jié)構(gòu)，Ⅲ型天線陣列結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的電磁波的渦旋性最好，體現(xiàn)了陣列結(jié)構(gòu)中數(shù)目的優(yōu)勢。

圖7 Ⅰ型天線陣列不同模式(=0，1，2，3)OAM矢量圖

圖8 Ⅱ型天線陣列不同模式(=0，1，2，3，4)OAM矢量圖

圖9 Ⅲ-型天線陣列不同模式(=0，1，2，3，4)OAM矢量圖

Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型天線陣列下不同模態(tài)OAM波束增益方向圖如圖10所示。可以發(fā)現(xiàn)，OAM模式數(shù)越大，天線的主輻射方向角，即輻射增益最大處與Z軸正方向所成夾角，呈變大趨勢，如果要獲得更好的靈敏度，接收天線的位置要相應(yīng)變化；增益帶寬也隨OAM模式數(shù)的增大而變寬，可以看出能量被分散，天線的方向性下降。

圖10 Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型天線陣列下不同模態(tài)OAM波束增益方向圖

圖11 Ⅲ型天線陣列不同模式(=0，1，2，3)OAM的增益和對(duì)應(yīng)的3D輻射方向圖

4 結(jié)束語

本文通過電磁場EDA設(shè)計(jì)軟件HFSS仿真設(shè)計(jì)了以矩形微帶天線為陣元，能產(chǎn)生不同OAM模式數(shù)電磁波的圓形天線陣列。通過仿真發(fā)現(xiàn)，隨著OAM模式數(shù)的增加，天線輻射的能量會(huì)分散。比較了陣元數(shù)目變化對(duì)產(chǎn)生的電磁波渦旋性的影響，仿真結(jié)果表明，陣列天線所能產(chǎn)生的OAM模式數(shù)受陣元數(shù)目限制，越多的陣元數(shù)獲得的電磁波渦旋性更好。