0 引言

    隨著無線通信中智能終端的快速發展和普及，通信容量逐漸遇到瓶頸(香農容量)，OAM(Orbital Angular Momentum)就是突破這個瓶頸的方法之一。近年來有研究表明，攜帶軌道角動量的渦旋電磁波系統是一種非平面傳播的波。攜有軌道角動量(OAM)的電磁波具有e^jlθ的螺旋相位結構，其中l是一個無界整數(OAM的模態值或拓撲荷數)，θ是橫向的方位角。因此，理論上OAM具有無窮多的狀態且不同的OAM模態之間相互正交。攜有軌道角動量(OAM)的電磁波不僅可以顯著提高通信系統的頻譜利用率和容量，而且OAM系統可以提供更高的數據傳輸速率和更高的信號安全性。把OAM當做新的調制自由度來緩解頻譜資源與日俱增的壓力，已成為無線通信領域的一個研究熱點。

    電磁波不僅能攜帶能量，還可以攜帶角動量，其中角動量又可以分為軌道角動量^[1]及自旋角動量(Spin Angular Momentum，SAM)，OAM指的是依賴于場分布的角動量。直到1992年，OAM才被ALLEN L發現^[2]。隨后，基于OAM在光學領域的研究逐漸展開。2007年，THIDE B等人證明均勻圓陣列可以產生攜有軌道角動量的渦旋電磁波，并首次提出將OAM應用于無線通信的設想^[3]。2011年，THIDE B等在意大利進行了OAM的第一次室外無線通信實驗，采用螺旋拋物面天線產生了攜有OAM(模態值為1)的渦旋電磁波，并用八木天線用作接收，證明了渦旋電磁波用于無線傳輸的可行性；在2012年他們進一步展開了電磁波的抗干擾性能驗證實驗，并且發現相位編碼技術可以兼容OAM編碼技術。2016年，周守利等使用圓形貼片的天線陣列產生了攜有OAM的電磁波^[4]。2019年，喬旭光等人提出了一種新型超帶寬(UWB)高增益的雙頻段共口徑天線^[5]，但是不屬于雙頻OAM天線。迄今為止，能產生攜有OAM渦旋電磁波的方法大致可分為如下4種：透射螺旋結構、透射光柵結構、反射螺旋面和相控陣列結構。幾類OAM天線結構各有千秋，也有不足。透射光柵結構過多地依賴于計算全息法(Computer Generated Hologram，CGH)，全6息板的制作復雜；透射螺旋結構產生渦旋電磁波的方式受特定波長的限制；反射螺旋面結構簡單，然而產生的波束的方向性卻不盡人意^[6]，單一尺寸的反射螺旋面結構只能一種OAM模式^[7]；相控陣天線結構簡單，通過改變相鄰陣元的相位差就可以實現不同OAM模態值的切換。近幾年，產生OAM渦旋電磁波的熱門的方法之一是相控微帶陣列天線^[8]。雖然人們已經研究了幾種實現單模或多模的OAM波束的方法，但對雙頻OAM天線的研究卻很少。如果基于OAM通信系統能夠在兩個頻帶上工作，則通信系統容量將會再上一個臺階。本文的研究目的就是希望能夠填補這一空白。

    目前利用均勻圓陣列產生OAM，陣列單元主要是矩形貼片和圓形貼片^[9]。圓形貼片天線體積大，容易耦合。而矩形貼片具有天線體積小、成本相對其他天線低等優勢，因此矩形貼片天線常常作為相控陣列天線的陣元。本文把矩形貼片天線作為陣元，在此基礎上設計了一種相控陣列天線，使其可以工作在兩個頻段范圍內，并且可以工作在較高的頻率(21 GHz和27 GHz)，以期能有效地提高頻帶利用率。

1 陣列天線結構設計

    本文設計的相控陣列天線是由8個陣元(矩形微帶貼片天線)繞圓心間隔45°均勻排列的，該陣列天線的結構如圖1所示，其陣元的結構如圖2所示。在設計之初，先通過相關的公式進行計算來得到陣元的一些參數值，其次再使用三維電磁仿真軟件ANAYS HFSS(High Fre-

quency Structure Simulator)對天線的結構參數進行優化，該陣列天線用同軸線作為饋線，饋線的上表面連接的是矩形貼片，下表面連接的是導體貼片，介質采用FR4材料，其相對介電常數為4.4，金屬地板采用pec材質。天線陣列尺寸見表1，其中，L₀為輻射貼片的長度；W₀為輻射貼片的寬度；L₂為同軸饋電線饋點距原點的距離；H為介質板的厚度和同軸線的高度，同軸饋電線采用pec材料；L₁為介質板的長度；W₁為介質板的寬度；R_in為同軸饋電線的半徑；R_out為導體貼片半徑；R₀為陣列天線各陣元中心到坐標原點的距離。

    通過使用HFSS來仿真如圖1所示的微帶貼片陣列以獲得該天線陣列的主要性能，如圖3所示。該陣列天線的兩個諧振頻率分別落在21 GHz和27 GHz，對應的回波損耗S₁₁分別為-24.51 dB和-26.21 dB。電壓駐波比VSWR都在1.5以下，說明阻抗匹配良好，陣列天線設計達到了要求。

2 仿真結果與分析

    圖4和圖5分別為中心頻率在21 GHz和27 GHz時，對于模態值l=0，l=±1，l=±2，l=±3的，8個陣元分別按0°，±45°，±90°，±135°相位延遲依次繞Z軸成同心圓分布，相應的電場輻射圖的變化情況。當l=0時，電磁波的能量集中在Z軸，不具有渦旋相位波前，是平面波。當l=1時，在Z軸方向天線陣列產生了中空波束，呈渦旋狀的能量圍繞中空區域分布，此時的電磁波不再是平面波，而是產生了螺旋相位波前發生扭曲，這是由于兩個相鄰的陣元之間的相位存在45°的差異，當l=-1時，相鄰的兩個陣元的相位相差-45°，該天線陣列能產生順時針的螺旋相位波前；當l=-1時，相鄰的兩個陣元之間的相位相差45°，該陣列天線能產生逆時針的螺旋相位波前。當l從±1升高到±3時，顯然，電磁波束攜有OAM的形式形成螺旋相位波前，電場輻射圖的中央出現空域，具有中空波束的特點，電場輻射圖中央的空域面積隨著l的增加而增加。當l=±3時，渦旋電磁波波束的中心空域面積達到最大，其能量也是最發散的。中心頻率為27 GHz時，渦旋電磁波的能量比21 GHz時更集中。實際上OAM波束中心空域的電場強度很小，中心軸(Z軸)的能量幾乎為零，而且空域面積越大，說明電磁波的能量越不集中，OAM波束變得越發散。所以，當對OAM波束信號進行檢測和接收時，應該把空域面積的變化納入考量范圍內。

    圖6和圖7分別表示中心頻率為21 GHz和27 GHz時，模態值l=0，1，2，3的OAM對應的方向角=0°的E面方向、方向角=90°的H面方向的天線增益變化圖。根據經典電磁理論，渦旋電磁波相位結構不隨波束傳輸距離的變化而變化，故從理論上而言，渦旋電磁波有著很好的旋轉性和對稱性，即當=0°時，天線的方向性應該是對稱的。通過對比圖6(a)~圖6(d)和圖7(a)~圖7(d)，當OAM波束的模態值相同時，中心頻率為21 GHz和27 GHz的電場增益圖的大小變化大致相同，這說明該天線陣列產攜帶的OAM渦旋電磁波束能量的集中程度幾乎一致；同時每個OAM模態值對應的電場增益方向圖的對稱性良好， 這就說明該天線陣列攜帶的OAM渦旋電磁波能量集中程度基本相同；而各個模態的電場增益方向圖的對稱性很好，這些都體現了OAM 波束具有旋轉性和對稱性[10－11]，這就驗證了理論。但是，隨著模態值l的增加 ，顯然，中心頻率為21 GHz比27 GHz時該天線陣列所攜帶的OAM波束的螺旋相位波前結構效果更差，當l=3時，圖4(a)~圖4(d)和圖5(a)~圖5(d)的曲線變化充分體現了這一點。

3 結論

    本文基于OAM渦旋電磁波理論并以矩形微帶貼片天線為陣元，設計了一款可以同時在21 GHz和27 GHz產生OAM渦旋電磁波并且能正常工作的雙頻陣列天線。有效地拓展了天線帶寬，通過改變陣元的饋電相位就可以改變產生OAM的模態值，有效地提高了頻帶利用率。并且微帶天線具有體積小、結構簡單、成本低和易于制作等優點，易于實用。迄今為止，盡管由陣列天線產生OAM渦旋電磁波的方法還停留在理論仿真階段，但是，如何產生多模態值的OAM渦旋電磁波，如何設計高增益、多頻段、超寬帶的微帶天線，如何檢測OAM的模態值以及如何接收OAM渦旋電磁波信號等困難，對于OAM天線的研究具有光明的應用前景，依然值得今后不斷探索和努力。

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作者信息:

張玲玲

(浙江工業大學 信息學院，浙江 杭州310023)