0 引言

    近年來，頻譜資源利用率低已成為無線通信技術(shù)發(fā)展迫切需要解決的瓶頸問題，多種分集技術(shù)(如空間分集、極化分集、頻率分集等)已經(jīng)成功被用來傳輸數(shù)據(jù)，以提高頻譜效率。但傳統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)僅使用頻率、時(shí)間、碼型和空間等資源作為自由度，它們的調(diào)制能力是有限的。OAM渦旋電磁波的復(fù)用技術(shù)可以在同一頻點(diǎn)下實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的同時(shí)傳輸^[1]，它作為一個(gè)有發(fā)展前景的方法，對(duì)解決頻譜利用率低、頻譜資源短缺等問題提供了一定的研究思路，帶來了不可估量的研究價(jià)值。

    軌道角動(dòng)量（Orbital Angular Momentum，OAM）表征出具有相位因子為exp(jlφ)的螺旋相位波前結(jié)構(gòu)的自然屬性^[2]。OAM作為一種不同于相位、幅度、極化的調(diào)制維度被引入到無線通信中，可以有效地提高通信系統(tǒng)的容量和效率。螺旋透鏡^[3]、超表面^[4]、螺旋相位板^[5]等光領(lǐng)域OAM波束的產(chǎn)生方法很難全部應(yīng)用于微波段的無線通信系統(tǒng)中，探索合適的微波段OAM波束產(chǎn)生方式顯得尤為重要。2013年，TAMBURINI F等人基于螺旋拋物面天線進(jìn)行了OAM無線通信實(shí)驗(yàn)^[6]，證明了利用OAM渦旋電磁波進(jìn)行無線通信以及增加無線傳輸容量的可行性；2014年，BAI Q等人利用8個(gè)相同的矩形微帶貼片組成圓形相控陣天線產(chǎn)生OAM波束^[7]；2015年，BAI X等人用三極化圓喇叭陣列天線生成了OAM波束^[8]；2016年，KANG M S等人采用配置了8路均勻功率分配器的圓形陣列天線產(chǎn)生模式數(shù)l=1的OAM波束^[9]。此后，更多關(guān)于OAM天線和OAM波束生成的方法被提出^[10-11]。然而，尺寸小、輻射效率高才是OAM陣列天線使用時(shí)考慮的主要因素。利用上述微帶陣列天線產(chǎn)生OAM波束時(shí)，由于輻射陣元是微帶貼片，其在低頻段天線幾何尺寸大，不易實(shí)現(xiàn)小型化；高頻段金屬歐姆損耗又高，輻射效率低；而螺旋拋物面天線結(jié)構(gòu)單一且只能產(chǎn)生低階模式數(shù)的OAM波束，在實(shí)際通信系統(tǒng)中，其利用價(jià)值將受到嚴(yán)重限制。因此，探索一種低損耗、小體積、易加工的OAM陣列天線對(duì)未來微波通信的發(fā)展具有重要意義。

    介質(zhì)諧振器天線由低損的微波介質(zhì)材料構(gòu)成，合適的高介電常數(shù)可以降低天線的實(shí)際尺寸，其饋電方式又多種多樣，比較適合應(yīng)用于OAM陣列天線。本文基于有耗環(huán)形天線相關(guān)理論，建立有耗環(huán)形介質(zhì)諧振器陣列天線的等效模型，提出了一種采用介質(zhì)諧振器陣列天線產(chǎn)生OAM波束的新方式。對(duì)此OAM陣列天線進(jìn)行了仿真優(yōu)化并分析了相關(guān)性能參數(shù)，分析了不同陣列半徑對(duì)3D遠(yuǎn)場輻射圖效果的影響，在此基礎(chǔ)上探索了介質(zhì)諧振器陣列天線不同饋電位置和不同饋電方式對(duì)生成OAM波束的影響。

1 陣列天線模型及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 有耗環(huán)形陣列天線等效模型

    理想環(huán)形陣列天線模型不能準(zhǔn)確描述實(shí)際情況，因?yàn)榄h(huán)形陣列天線的損耗是無法避免的，所以環(huán)上的電流強(qiáng)度不可能一直保持恒定不變。因此，建立有耗環(huán)形陣列天線等效模型來說明其產(chǎn)生OAM波束的原理更為合理。環(huán)形陣列天線模型如圖1所示。

1.2 陣列天線設(shè)計(jì)

    單元介質(zhì)諧振器天線的側(cè)視圖與俯視圖如圖2所示。在接地面開一個(gè)矩形耦合槽，開槽中心與輻射單元的中心重合。電流在微帶線中傳遞時(shí)被矩形槽切斷，將能量耦合到介質(zhì)諧振器天線中，產(chǎn)生輻射。介質(zhì)諧振器天線垂直放置于矩形槽縫隙上，微帶線垂直通過矩形槽的中心位置，因?yàn)檫@樣槽的輻射阻抗最大，會(huì)使更多能量饋入介質(zhì)諧振器天線中。

    圖2中，①表示單元介質(zhì)諧振器天線，由陶瓷填料的聚四氟乙烯復(fù)合材料構(gòu)成，其介電常數(shù)ε₁=38.9，底面半徑為R=2.86 mm，高度為H₁=2.51 mm；②表示接地面；③表示材料是Rogers RT/duroid 5880(tm)的介質(zhì)基板，基板的厚度H₂=1 mm，其相對(duì)介電常數(shù)ε₂=2.65，損耗角正切值為0.02；④表示饋電微帶線，由于50 Ω的微帶線寬度約為2.4 mm，微帶線的寬度太寬會(huì)影響天線的性能，因此選取特性阻抗為100 Ω，寬度為W=0.72 mm，再進(jìn)行阻抗匹配變換即可得到50 Ω阻抗匹配。微帶線伸出矩形槽的長度L_S會(huì)直接影響天線的匹配和回波損耗，通過不斷地仿真優(yōu)化，最終發(fā)現(xiàn)L_S=2.5 mm時(shí)能達(dá)到最優(yōu)效果；⑤表示同軸饋電端口；⑥表示在接地面上開的矩形槽，其長度和寬度分別為L_f=5 mm、W_f=1.4 mm。矩形槽長度和寬度的變化，會(huì)對(duì)天線的阻抗匹配和增益特性造成一定影響。在設(shè)計(jì)開槽尺寸時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮開槽長度的影響。因?yàn)殚_槽長度L_f對(duì)天線起主要的影響，它不僅影響天線的阻抗匹配和諧振頻率，還影響天線回波損耗。開槽寬度W_f對(duì)諧振頻率和回波損耗影響較小，主要影響天線的阻抗匹配。

2 仿真與分析

    圖3(a)表示陣列天線的回波損耗S11，在中心工作頻率10.5 GHz處參數(shù)達(dá)到-32.73 dB；圖3(b)表示電壓駐波比VSWR，陣列天線在中心工作頻率10.5 GHz處達(dá)到了1.1，而且電壓駐波比VSWR的參數(shù)在中心頻率附近均小于1.5，所以此OAM陣列天線阻抗匹配良好且各輻射陣元的諧振頻率具有良好的一致性，滿足天線設(shè)計(jì)的性能要求。

    圖4表示不同陣列半徑產(chǎn)生模態(tài)值l=1、2、3的遠(yuǎn)場輻射圖（λ_g為介質(zhì)中的波長）。可以發(fā)現(xiàn)，隨著模態(tài)值l的增加，中心空域逐漸變大；陣列半徑在一定范圍內(nèi)，半徑稍大，介質(zhì)諧振器陣列天線輻射的OAM波束效果越好。

    圖5表示陣列半徑為的不同饋電位置所產(chǎn)生模態(tài)值為l=1、2、3的遠(yuǎn)場輻射圖。對(duì)比可知：按照?qǐng)D5(b)的饋電位置排列饋電時(shí)，中央空域有所減小，尤其在模態(tài)值l=3的情況下，空域減小更為明顯。圖6分析了按照?qǐng)D5中兩種饋電位置排列饋電時(shí)增益方向圖的變化，選取模態(tài)值l=1、2對(duì)比發(fā)現(xiàn)：按照?qǐng)D5(b)方式排列饋電位置，它所輻射的各模態(tài)的總增益都要比按照?qǐng)D5(a)方式排列饋電位置的總增益要強(qiáng)。因此，采用介質(zhì)諧振器陣列天線產(chǎn)生OAM波束時(shí)，選擇合適的饋電位置對(duì)減小中央空域問題有一定的幫助。

    對(duì)圖5中的(a)與(b)選取模態(tài)值l=2的情況對(duì)比發(fā)現(xiàn)，OAM波束在旋轉(zhuǎn)時(shí)它的中心空域是幾乎恒定不變的；若利用圖7中的同軸探針饋電方式產(chǎn)生模態(tài)值l=2的OAM波束時(shí)，其在旋轉(zhuǎn)傳播時(shí)中心空域會(huì)逐漸擴(kuò)張且愈發(fā)明顯，這就導(dǎo)致OAM渦旋電磁波在傳播過程中，波前主輻射方向出現(xiàn)輻射零點(diǎn)且隨通信距離的增加出現(xiàn)能量擴(kuò)散現(xiàn)象，這對(duì)OAM渦旋電磁波的接收提出了更高的要求。所以選取合適的饋電方式在一定程度上可以提高OAM天線的接收性能以及解決OAM信號(hào)遠(yuǎn)距離高質(zhì)量傳輸問題。

3 結(jié)論

    本文基于有耗環(huán)形天線相關(guān)理論及其等效模型，提出了OAM介質(zhì)諧振器陣列天線。通過仿真優(yōu)化分析了天線的相關(guān)性能參數(shù)，發(fā)現(xiàn)陣列半徑在一定范圍內(nèi)，半徑越大，這種OAM天線的遠(yuǎn)場輻射圖效果越好；同時(shí)通過對(duì)不同饋電位置的遠(yuǎn)場輻射圖和增益方向圖分析，發(fā)現(xiàn)用此種OAM天線產(chǎn)生OAM渦旋電磁波時(shí)，合適的饋電位置對(duì)解決中央空域問題有一定的幫助。在此基礎(chǔ)上，以模態(tài)值l=2的情況探索了OAM介質(zhì)諧振器陣列天線采用不同饋電方式對(duì)產(chǎn)生的OAM波束的影響，結(jié)果表明：利用同軸探針饋電時(shí)，發(fā)射中心的中心空域會(huì)逐漸擴(kuò)張，能量出現(xiàn)擴(kuò)散，所以合理的饋電方式在一定程度上可以提高OAM波束遠(yuǎn)距離傳輸質(zhì)量，對(duì)加快OAM天線的發(fā)展以及將其應(yīng)用于實(shí)際無線通信系統(tǒng)具有一定的重要意義。

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作者信息:

常  偉1，孫學(xué)宏2，3，劉麗萍1，3，薛嘉南1

（1.寧夏大學(xué) 物理與電子電氣工程學(xué)院，寧夏 銀川750021；

2.寧夏大學(xué) 信息工程學(xué)院，寧夏 銀川750021；3.寧夏沙漠信息智能感知重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川750021）