採用介質諧振器陣列天線產生OAM波束的新方式

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採用介質諧振器陣列天線產生OAM波束的新方式

李倩 發表於 2018-08-28 09:41:29

摘要： 軌道角動量(OAM）技術為無線通信系統提供了新的調製維度，成為解決頻譜資源短缺問題的有效方法。提出了一種新穎的OAM陣列天線，利用介質諧振器陣列天線產生OAM波束。仿真結果表明，此OAM陣列天線半徑的大小直接影響OAM波束的效果，同時合適的饋電位置以及饋電方式在一定程度上可以改善中央空域問題和提高OAM波束遠距離傳輸質量。此OAM陣列天線體積小、介質材料選取廣泛，能夠解決環形OAM微帶陣列天線高頻段輻射陣元損耗高、低頻段幾何尺寸大的難題，對OAM陣列天線在未來無線通信領域的實際應用提供了新的參考價值。

0 引言

近年來，頻譜資源利用率低已成為無線通信技術發展迫切需要解決的瓶頸問題，多種分集技術(如空間分集、極化分集、頻率分集等)已經成功被用來傳輸數據，以提高頻譜效率。但傳統的調製技術僅使用頻率、時間、碼型和空間等資源作為自由度，它們的調製能力是有限的。OAM渦旋電磁波的復用技術可以在同一頻點下實現多路信號的同時傳輸[1]，它作為一個有發展前景的方法，對解決頻譜利用率低、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值。

軌道角動量（Orbital Angular Momentum，OAM）表徵出具有相位因子為exp(jlφ)的螺旋相位波前結構的自然屬性[2]。OAM作為一種不同於相位、幅度、極化的調製維度被引入到無線通信中，可以有效地提高通信系統的容量和效率。螺旋透鏡[3]、超表面[4]、螺旋相位板[5]等光領域OAM波束的產生方法很難全部應用於微波段的無線通信系統中，探索合適的微波段OAM波束產生方式顯得尤為重要。2013年，TAMBURINI F等人基於螺旋拋物面天線進行了OAM無線通信實驗[6]，證明了利用OAM渦旋電磁波進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個相同的矩形微帶貼片組成圓形相控陣天線產生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等人採用配置了8路均勻功率分配器的圓形陣列天線產生模式數l=1的OAM波束[9]。此後，更多關於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陣列天線使用時考慮的主要因素。利用上述微帶陣列天線產生OAM波束時，由於輻射陣元是微帶貼片，其在低頻段天線幾何尺寸大，不易實現小型化；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構單一且只能產生低階模式數的OAM波束，在實際通信系統中，其利用價值將受到嚴重限制。因此，探索一種低損耗、小體積、易加工的OAM陣列天線對未來微波通信的發展具有重要意義。

介質諧振器天線由低損的微波介質材料構成，合適的高介電常數可以降低天線的實際尺寸，其饋電方式又多種多樣，比較適合應用於OAM陣列天線。本文基於有耗環形天線相關理論，建立有耗環形介質諧振器陣列天線的等效模型，提出了一種採用介質諧振器陣列天線產生OAM波束的新方式。對此OAM陣列天線進行了仿真優化並分析了相關性能參數，分析了不同陣列半徑對3D遠場輻射圖效果的影響，在此基礎上探索了介質諧振器陣列天線不同饋電位置和不同饋電方式對生成OAM波束的影響。

1 陣列天線模型及結構設計

1.1 有耗環形陣列天線等效模型

理想環形陣列天線模型不能準確描述實際情況，因為環形陣列天線的損耗是無法避免的，所以環上的電流強度不可能一直保持恆定不變。因此，建立有耗環形陣列天線等效模型來說明其產生OAM波束的原理更為合理。環形陣列天線模型如圖1所示。

1.2 陣列天線設計

單元介質諧振器天線的側視圖與俯視圖如圖2所示。在接地面開一個矩形耦合槽，開槽中心與輻射單元的中心重合。電流在微帶線中傳遞時被矩形槽切斷，將能量耦合到介質諧振器天線中，產生輻射。介質諧振器天線垂直放置於矩形槽縫隙上，微帶線垂直通過矩形槽的中心位置，因為這樣槽的輻射阻抗最大，會使更多能量饋入介質諧振器天線中。

圖2中，①表示單元介質諧振器天線，由陶瓷填料的聚四氟乙烯複合材料構成，其介電常數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)的介質基板，基板的厚度H2=1 mm，其相對介電常數ε2=2.65，損耗角正切值為0.02；④表示饋電微帶線，由於50 Ω的微帶線寬度約為2.4 mm，微帶線的寬度太寬會影響天線的性能，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LS會直接影響天線的匹配和回波損耗，通過不斷地仿真優化，最終發現LS=2.5 mm時能達到最優效果；⑤表示同軸饋電埠；⑥表示在接地面上開的矩形槽，其長度和寬度分別為Lf=5 mm、Wf=1.4 mm。矩形槽長度和寬度的變化，會對天線的阻抗匹配和增益特性造成一定影響。在設計開槽尺寸時，應優先考慮開槽長度的影響。因為開槽長度Lf對天線起主要的影響，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Wf對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處參數達到-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處達到了1.1，而且電壓駐波比VSWR的參數在中心頻率附近均小於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，滿足天線設計的性能要求。

圖4表示不同陣列半徑產生模態值l=1、2、3的遠場輻射圖（λg為介質中的波長）。可以發現，隨著模態值l的增加，中心空域逐漸變大；陣列半徑在一定範圍內，半徑稍大，介質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生模態值為l=1、2、3的遠場輻射圖。對比可知：按照圖5(b)的饋電位置排列饋電時，中央空域有所減小，尤其在模態值l=3的情況下，空域減小更為明顯。圖6分析了按照圖5中兩種饋電位置排列饋電時增益方向圖的變化，選取模態值l=1、2對比發現：按照圖5(b)方式排列饋電位置，它所輻射的各模態的總增益都要比按照圖5(a)方式排列饋電位置的總增益要強。因此，採用介質諧振器陣列天線產生OAM波束時，選擇合適的饋電位置對減小中央空域問題有一定的幫助。

對圖5中的(a)與(b)選取模態值l=2的情況對比發現，OAM波束在旋轉時它的中心空域是幾乎恆定不變的；若利用圖7中的同軸探針饋電方式產生模態值l=2的OAM波束時，其在旋轉傳播時中心空域會逐漸擴張且愈發明顯，這就導致OAM渦旋電磁波在傳播過程中，波前主輻射方向出現輻射零點且隨通信距離的增加出現能量擴散現象，這對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信號遠距離高質量傳輸問題。

3 結論

本文基於有耗環形天線相關理論及其等效模型，提出了OAM介質諧振器陣列天線。通過仿真優化分析了天線的相關性能參數，發現陣列半徑在一定範圍內，半徑越大，這種OAM天線的遠場輻射圖效果越好；同時通過對不同饋電位置的遠場輻射圖和增益方向圖分析，發現用此種OAM天線產生OAM渦旋電磁波時，合適的饋電位置對解決中央空域問題有一定的幫助。在此基礎上，以模態值l=2的情況探索了OAM介質諧振器陣列天線採用不同饋電方式對產生的OAM波束的影響，結果表明：利用同軸探針饋電時，發射中心的中心空域會逐漸擴張，能量出現擴散，所以合理的饋電方式在一定程度上可以提高OAM波束遠距離傳輸質量，對加快OAM天線的發展以及將其應用於實際無線通信系統具有一定的重要意義。

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