毫米波段涡旋电磁波天线阵与馈电网络设计

姜泽锋,邓联文,董 健,郭才彪

(1.中南大学 物理与电子学院,湖南 长沙 410083;2.中南大学 信息科学与工程学院,湖南 长沙 410083)

随着无线通信技术的发展,频谱资源越发紧张。对电磁波的幅度、相位、频率而进行的振幅调制、相位调制和频率调制方法已不能满足日益增长的通信容量需求[1]。涡旋电磁波由于携带轨道角动量(OAM),且不同的OAM模式正交,可在同一频率进行不同信息传输,有望得到应用而大幅提高无线通信容量。利用OAM作为新的调制自由度来解决频谱资源日益紧缺问题,已成为通信技术领域的一个研究热点[2-3]。

涡旋电磁波的波前相位面不是传统的平面或者球面,而是沿传播轴向具有螺旋状等相位面的特殊结构。对OAM的研究起源于光学领域,1992年,荷兰物理学家Allen等[4-5]发现拉盖尔高斯光束在近轴传播条件下携带OAM,经过二十多年的发展,OAM在光学领域已经被广泛应用,如光通信、光学扳手等。Thide教授等[6]在2007年首次证明了使用相控天线阵能在无线电频段产生携带轨道角动量的电磁波,并提出将OAM应用于无线通信的设想。Mohammadi等[7]进一步系统研究了天线阵数目、天线阵半径对涡旋电磁波方向性的影响。2011年,Tohammadi和Thide在意大利进行了OAM的第一次室外无线通信实验,使用螺旋抛物面天线产生了OAM模式为1的涡旋电磁波,通过八木天线接收,验证了涡旋电磁波用于无线传输的可行性;在2012年他们进一步开展了电磁波的抗干扰性能验证实验,并发现OAM编码技术与相位编码技术可以兼容。

目前能产生OAM波束的方法有多种,如圆形相控阵天线、螺旋相位板、螺旋抛物面天线、介质谐振天线等[8-11]。相比其他OAM波束生成方法,圆形微带天线阵具有结构简单、质量小、易于制造等优点,也易与微带传输线连接,对简化馈电网络设计有利[12]。根据圆形相控天线阵产生OAM波束理论,需要对每个天线单元馈以幅度相同、等相位差延迟的激励;因此如何设计结构简单、易于实现且相位精度高的馈电网络是技术关键[13-14]。目前有关涡旋电磁波天线阵列的研究较多,周守利等[15]使用圆微带贴片组成天线阵在C波段产生了涡旋电磁波;李强等[16]使用微带贴片作为阵元组成天线,在L波段产生了涡旋电磁波;Deng等[17]使用Vivaldi天线作为阵元设计天线阵,在C波段产生了涡旋波束。但是上述三个团队都只是限于天线阵列的设计,未进行天线阵与馈电网络的联合设计。本文采用高频电磁仿真软件HFSS,首次在毫米波段进行了微带天线阵、微带移相器和微带功分器的联合设计,馈电网络结构简单,呈中心对称分布,只需要一个馈电端口,能产生模式为1且效果良好的螺旋相位分布;且通过背馈方式,能减少馈电网络对辐射单元的干扰。

1 天线阵与馈电网络设计

1.1 天线单元设计

本文在毫米波段设计微带天线单元,为减少馈电网络对辐射单元影响,降低阵元间耦合,使用同轴线对天线馈电。结构如图1所示。

图1 天线单元结构Fig.1 Structure of antenna element

通过微带天线理论计算与优化参数,得到在33.07 GHz满足设计要求的方形微带天线的具体参数,如表1所示;其中L、W为地的长宽,L1与W1为贴片的长宽,同轴线中心离坐标原点距离为a,同轴馈线的内径与外径分别为r1与r2,使用铜作为同轴线的材料;介质基底使用相对介电常数为2.2的Roger RT,厚度为h1。

表1 工作在33.07GHz的微带天线尺寸Tab.1 Microstrip antenna size at 33.07 GHz mm

图2为微带天线的回波损耗仿真结果,可见,天线单元在中心频率 33.07 GHz的反射系数为-39 dB,-10 dB带宽也较宽。图3的电场辐射增益结果表明,该天线具有良好辐射能力,在z轴正方向辐射强度最大,最大增益为9.14 dB。

图2 单元天线回波损耗图Fig.2 Reflection coefficient of the antenna element

图3 天线辐射图Fig.3 Pattern of the antenna

1.2 天线阵与馈电网络设计

天线阵与馈电网络整体结构如图4所示,组成依次为天线阵、介质板1、地板、介质板2、馈电网络,天线阵由4个阵元组成,各单元中心距离坐标原点为R,为得到最佳涡旋效果,需要对圆形天线阵初始半径R进行优化,通过仿真优化,最终确定半径R=4.22 mm。两个介质板都使用相对介电常数为 2.2的 Roger RT,其中介质1厚度为h1=0.254 mm,介质2厚度为h2=0.08 mm。馈电网络通过同轴馈线穿过地板、介质板与天线单元相连,该设计可减少馈电网络对辐射单元的影响。馈电网络给每个天线单元提供了幅度相同,相位依次递增的激励。

基于均匀圆形天线阵产生涡旋电磁波的原理,产生模式为1的OAM波束需要对每个天线单元等幅信号馈电,且沿顺时针方向,每个天线单元的相位为,N为天线阵元个数,l为产生的OAM模式数[13]。阵元个数N=4,OAM模式数l=1,沿顺时针的每个天线单元的相位依次为0°,90°,180°,270°。

设计的馈电网络结构如图5所示,五个输入输出端口都使用50Ω阻抗匹配,其中信号由端口1输入,由端口2、端口3、端口4、端口5分别对天线单元输出馈电。B与A的距离为λg/4,λg为导波波长,为使端口3对端口2有90°相位延迟,在端口3与C点之间加入λg/4微带移相器。连接端口4和5的微带传输线,以A点为中心,与端口2和3所连的微带传输线呈中心对称分布,这种设计有利于减少端口间的相位误差。

图4 l=1的圆形天线阵与馈电网络结构图Fig.4 Configuration of circular antenna array andfeeding network forl=1

图5 l=1的馈电网络结构图Fig.5 Configuration of feeding network forl=1

馈电网络产生模式为1的电磁波的仿真结果如图6所示,反射系数在指定带宽内都低于-20 dB,在工作频段传输系数都在-5.8 dB与-6.3 dB之间,误差低于0.5 dB。相位误差低于1°,证明相邻的两个端口间的相位延迟相同。

图6 馈电网络仿真结果Fig.6 Reflection coefficient of feeding network

2 结果分析

对馈电网络与天线阵进行整体仿真,得到图7所示的反射系数,中心频率为33.22 GHz,最低反射系数为-20 dB,低于-10 dB带宽为1.86 GHz,具有较宽工作频率范围;整体仿真的中心频率相对于天线单元有一定的频偏,但对整体工作频率范围影响不大。产生频偏的原因一方面是受天线阵元之间耦合的影响,另一方面馈电网络与天线阵阻抗匹配有一定误差。通过图8所示的辐射增益图可见,在涡旋电磁波轴心处增益为-15 dB,最高增益在边缘处为8.6 dB,符合涡旋电磁波的中心能量最低,边缘能量高的物理特性。通过在表2中进行对比,相较于文献[15]、[16]和[17]中在C、L波段设计的八元天线阵,本天线阵作为工作在毫米波段的四元天线阵,在增益与尺寸上更有优势。

图7 天线阵回波损耗图Fig.7 Reflection coefficient of the antenna array

表2 几种涡旋电磁波天线阵比较Tab.2 Performance comparison of several vortex electromagnetic antenna array

图8 天线辐射图Fig.8 Pattern of the antenna

图9与图10所示为传播不同距离涡旋电磁波的电场辐射图与相位分布图,能明显可见符合涡旋电磁波特点的低能量的辐射中心与螺旋相位条带;且随距离增加,涡旋波束的相位没有明显变化,但是电场辐射中心的能量越来越低。OAM是电磁场新的自由度,在接收端分辨不同模式的OAM是能够进行正交复用的基础。随着传输距离不断增加,除了能量的传播损耗外,辐射中心的空洞也会由于涡旋电磁波固有属性不断变大,这要求设计巨大口径的接收阵列与高增益天线。同时大气对涡旋电磁波传播的影响,也需要进一步研究与探讨。

图9 电场能量图Fig.9 Electric field patterns

图10 相位分布图Fig.10 Phase distribution patterns

3 结论

本文首次在毫米波段提出了由微带天线阵、微带功分器、微带移相器组成的涡旋电磁波产生系统。为减少天线单元间耦合,采用同轴线馈电;为减少馈电网络对辐射单元的影响,通过地板将辐射单元与馈电网络隔离;为简化设计和保证相位精度,馈电网络使用了中心对称结构。设计的天线阵中心频率为33.22 GHz,具有1.86 GHz带宽;具有清晰电场奇点的电场辐射图与螺旋结构相位分布图表明,天线阵能产生模式为1的OAM波束;设计的天线阵与馈电网络结构简单,易于实现,在雷达成像和通信领域具有实际应用的潜力。