文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.181290
中文引用格式： 常偉，孫學宏，劉麗萍. 超寬帶OAM天線的設計與研究[J].電子技術應用，2018，44(7)：15-18，23.
英文引用格式： Chang Wei，Sun Xuehong，Liu Liping. Design and research of ultra wideband OAM antenna[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(7)：15-18，23.
0 引言
工業和信息化部曾批復了24.75～27.5 GHz和37～42.5 GHz頻段用于5G技術研發試驗，在較高頻段的微波段中，爭用帶寬的設備少，傳輸速率有保障。因此，在即將到來的高速信息時代，開發高頻段毫米波通信技術將會極大地緩解頻譜。目前已經應用碼分復用(CDM)、時分復用(TDM)、極化復用(PDM)、正交頻分復用(OFDM)以及多輸入多輸出(MIMO)等技術去解決頻譜資源短缺的問題，但這些技術的應用依舊難以滿足未來通信更高速率、更高帶寬的發展趨勢。因此，尋找其他新維度的復用技術來提高頻譜利用率也已成為大勢所趨。
軌道角動量(Orbital Angular Momentum，OAM)在無線電通信系統中可以作為一種新的調制方式。基于OAM復用的通信技術可以實現在同一帶寬內并行傳輸多路攜帶信息的OAM渦旋電磁波，能夠大大提高頻譜的利用率[1]。OAM在光學中已經被廣泛應用，通過引入OAM，光通信系統的傳輸能力得到很大程度的提升[2]。要想將OAM這種新的調制技術應用于微波段，其前提是能夠獲得高質量的OAM波束。2010年，MOHAMMADI S M等人通過偶極子陣列天線產生了攜帶OAM的電磁波束[3]；2011年，TENNANT A等人進一步研究，提出時間開關陣列(Time-Switched Array，TSA)，可以產生不同模態的OAM波束[4]，但載波的信息有效性不是很好；2012年，TAMBURINI F采用螺旋拋物面天線驗證了這種OAM復用技術[5]，實現了在同一頻帶多路信號的傳輸，但這種天線結構過于單一，不能實現多模態OAM波束的產生；2014年，BARBUTO M等人提出了采用圓極化貼片天線產生OAM波束的方法[6]，這種天線的輻射效率不高；2015年，BAI X等人用圓喇叭陣列天線生成了OAM波束[7]，但產生的模態效果不太理想；2016年，LIANG J等人提出了用尺寸小、輻射效率高的介質諧振器天線制作寬頻帶OAM天線[8]，僅實現了在幾個特定頻率中心產生OAM波束，嚴重限制了整個寬頻帶的利用價值。之后，越來越多的OAM天線被提出[9-10]。上述眾多產生OAM波束的方法都沒能實現具有結構簡單、超帶寬、多頻段工作的OAM天線。因此，探索并設計超帶寬OAM天線對OAM復用技術在微波射頻領域的發展具有重要的意義。
本文基于圓環相控陣列天線模型和OAM渦旋電磁波的產生原理，利用半圓柱介質諧振器天線，設計了一種超寬帶OAM天線。天線可在Ku、K和Ka 3個波段工作，解決了OAM天線在高頻微波段難以實現超寬帶的問題，有效地提高了頻帶利用率。通過對超寬帶OAM天線主要性能參數的分析，證實了天線性能良好，并在幾個具有代表性的頻率中心產生了電場輻射圖，產生的波束符合OAM渦旋電磁波最關鍵的特征，同時也對工作頻帶上不同頻率中心產生的不同OAM模態的電場增益方向圖進行了分析。
1 OAM天線原理及結構設計
1.1 圓環相控陣列天線模型
1.2 OAM天線結構設計
介質諧振器天線因其具有饋電方式多、輻射效率高、損耗低而且體積小的特點，所以比較適合將其作為超寬帶OAM天線的輻射單元。圖2(a)顯示的是超寬帶OAM天線結構，設計過程并未采用完整的圓柱介質諧振器天線，是為了擴展天線的頻帶寬度。同時經過多次仿真優化，確定使用標準的半圓柱介質諧振器天線可以實現最大的相對帶寬。
輻射單元天線如圖2(b)所示，半圓柱介質諧振器天線放置在介質基板之上，半圓柱介質諧振器天線采用Rogers 5880材料制成，其介電常數ε=6，采用50 Ω阻抗的同軸探針方式饋電。半圓柱介質諧振器天線的半徑R=3.2 mm，高度H1=5 mm；介質基板的材料為Rogers RT/duroid 5880 (tm)，其采用聚四氟乙烯玻璃纖維增強材料制造，基板的厚度為H2=1 mm，相對介電常數為2.2。利用同軸探針方式饋電時，探針的位置以及其嵌入介質體的深度對天線各方面性能都有較為明顯的影響。經過多次仿真實驗，通過參數掃描和優化參數的方式獲得了探針最佳的位置，應距離半圓柱介質體中心1.6 mm的位置，嵌入介質體的最佳深度為H3=0.9 mm。
2 仿真與分析
圖3(a)表示OAM天線的回波損耗S11，由圖中的m1和m2可以計算出相對帶寬可以達到93%，頻帶覆蓋了Ku、K和Ka 3個波段。圖3(b)表示OAM天線的電壓駐波比VSWR，可以發現圖3(a)中m1和m2之間的頻帶，在圖3(b)中對應的VSWR參數均小于1.50。在Ku、K和Ka這3個頻段上，選取幾個具有代表性的頻點m3、m4、m5以及m6，它們的VSWR參數分別達到了1.01、1.04、1.02和1.02。因此，由天線主要性能參數可知，此OAM天線不僅滿足超帶寬的設計要求，而且阻抗匹配也較為良好。
圖4和圖5分別描述的是中心頻率為19.1 GHz和32.5 GHz兩種情況下，模態數l=0、1、2、3的電場輻射圖的變化情況。顯然，在l不等于0的情況下，電場呈螺旋狀分布，這正是OAM波束最重要的本質特征，而且OAM渦旋軌跡的波束的數量為2l。同時也不難發現，電場輻射圖中央有凹陷，呈現出了中空波束的特點，隨著l的增加，凹陷區域的面積也隨之變大。其實OAM波束凹陷區域場強很小，若凹陷區域的面積變大，OAM波束變得愈加發散。因此，在檢測和接收OAM波束信號時，中空凹陷區域的輻射范圍的變化必須作為一個考慮因素。
圖6和圖7表示中心頻率為19.1 GHz和32.5 GHz兩種情況下，不同OAM模態的電場增益方向圖。將圖6中的(a)~(d)和圖7中的(a)~(d)進行對比，發現兩種頻率產生相同模態的OAM波束時，它們的電場增益圖大小變化基本相同，說明產生的OAM渦旋電磁波能量集中性大致一樣，而且每個模態的電場增益方向圖對稱性良好，體現出了OAM波束具有旋轉性和對稱性的特點。但隨著l的增加，可以發現19.1 GHz頻率比32.5 GHz頻率產生的OAM波束的螺旋相位波前結構效果更好，當l=3時，體現得更加明顯。
3 結論
本文基于半圓柱介質諧振器天線和OAM渦旋電磁波的產生原理，有效地將OAM通信技術與超寬帶天線技術融合，設計了一種超寬帶OAM天線。天線工作于Ku、K和Ka 3個高頻微波段，實現了OAM波束在多頻段上的產生，使其發揮更多提升頻譜利用率的能力；通過仿真分析，發現在不同頻點下產生相同模態的OAM波束，它們的電場增益大小變換幾乎一樣，也就是說多頻段上不同頻點產生相同模態的OAM波束，其能量集中性基本保持不變，并且都具有良好的旋轉性和對稱性，這在一定程度上說明了此OAM天線的有效性和可行性；因此，基于半圓柱介質諧振器天線結構的OAM天線適用于生成多種模態的OAM波束，對促進OAM天線的研究以及多頻段的應用都具有一定參考價值。
參考文獻
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作者信息:
常 偉1，孫學宏2，3，劉麗萍1，3
（1.寧夏大學 物理與電子電氣工程學院，寧夏 銀川750021；
2.寧夏大學 信息工程學院，寧夏 銀川750021；3.寧夏沙漠信息智能感知重點實驗室，寧夏 銀川750021）