《電子技術應用》
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基于軌道角動量的雙頻陣列天線的設計與分析
2019年電子技術應用第11期
張玲玲
浙江工業大學 信息學院,浙江 杭州310023
摘要: 隨著通信技術的蓬勃發展,通信頻帶變得越來越擁擠。為了提升頻譜效率和信道容量,基于軌道角動量的思想,以同軸饋電的貼片微帶天線為陣元,設計了一種可以攜帶軌道角動量渦旋電磁波的雙頻微帶陣列天線。HFSS的仿真結果表明,該天線的-10 dB帶寬為11.37~22.77 GHz和25.06~31.71 GHz,可以產生多種模態值的OAM波束,而且各個模態的OAM波束具有良好的對稱性和旋轉性,并且在中心頻率21 GHz和27 GHz能同時產生OAM渦旋電磁波。該系統在未來的移動通信(6G)具有廣闊的應用前景。
中圖分類號: TN928
文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.190649
中文引用格式: 張玲玲. 基于軌道角動量的雙頻陣列天線的設計與分析[J].電子技術應用,2019,45(11):68-71.
英文引用格式: Zhang Lingling. Design and analysis of dual-band array antenna based on orbital angular momentum[J]. Application of Electronic Technique,2019,45(11):68-71.
Design and analysis of dual-band array antenna based on orbital angular momentum
Zhang Lingling
Information Institute,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310023,China
Abstract: With the rapid prosperous growing of communication technologies, the radio frequency band has become more and more crowded. Based on the idea of orbital angular momentum(OAM), this paper designed a dual-band microstrip array antenna with coaxial feed as the element to enhance the spectrum efficiency and channel capacity, as well as the antenna can generate a vortex electromagnetic wave bearing OAM. The simulation results of HFSS shows that the -10 dB bandwidth of the antenna is 11.37~22.77 GHz and 25.06~31.71 GHz, which can generate OAM beams with multiple modal values, and the OAM beams of each mode have good symmetry and rotatability, simultaneously it can generates OAM vortex electromagnetic waves at the center frequencies of 21 GHz and 27 GHz. The system will have a broad prospect in the application of future mobile communication(6G).
Key words : dual-band;orbital angular momentum;vortex electromagnetic wave;array antenna

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ejlθ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;Rin為同軸饋電線的半徑;Rout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。

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    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。

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2 仿真結果與分析

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    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。

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    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tx1-t5-x1.gif=0°的E面方向、方向角tx1-t5-x1.gif=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tx1-t5-x1.gif=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。

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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。

參考文獻

[1] COHEN-TANNOUDJI C,DUPONT-ROC J,GRYNBERG G.Introduction to the covariant formulation of quantum electrody-namic[M].Weinheim,Germany:Wiley-VCH Verlag-Gmbh & Co.KGaA,1989.

[2] ALLEN L,BEIJERSBERGEN M W,SPREEUW R J,et al.Orbital angular momentum of light and the transformation of Laguerre-Gaussian laser modes[J].Physical Review A Atomic Molecular & Optical Physics,1992,45(11):8185.

[3] THIDE B,THEN H,SJOHOLM J,et al.Utilization of photon orbital angular momentum in the low-frequency radio domain[J].Physical Review Letters,2007,99(8):087701.

[4] 周守利,俞奇,梁顯鋒,等.基于圓微帶天線陣的射頻渦旋電磁波的產生[J].強激光與粒子束,2016,28(7):073202.

[5] 喬旭光,姜兆能,趙曉燕,等.一種新型高增益雙頻段共口徑天線陣的設計[J].電子技術應用,2019,45(2):37-39.

[6] Zhang Yang,Zhang Huihui,Pang Lihua,et al.On reception sampling region of OAM radio beams using concentric circular arrays[C].IEEE Wireless Communications and Networking Conference(WCNC),2018:710071.

[7] 鄒樂,李莉.無線電軌道角動量理論與新型OAM天線設計與研究[D].北京:北京郵電大學,2017.

[8] Guo Zhigui,Yang Guoming.Radial uniform circular antenna array for dual-mode OAM communication[J].IEEE Antenna & Wireless Propagation Letters,2016,16(6):404-407.

[9] 王文星,蔣洪林,楊晶晶,等.X波段寬頻帶多模軌道角動量天線仿真與設計[J].強激光與粒子束,2018,33(10):103001.

[10] 常偉,孫學宏,劉麗萍,等.OAM介質諧振器陣列天線的研究[J].電子技術與應用,2018,44(8):90-93.

[11] 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.



作者信息:

張玲玲

(浙江工業大學 信息學院,浙江 杭州310023)

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