基于环形槽线的OAM天线设计与分析

李廷华，毛福春，朱东来，韩 熠，李寿波，袁 刚

(1.云南中烟工业有限责任公司技术中心，云南 昆明 650231； 2.云南大学 信息学院，云南 昆明 650091； 3.江苏省邮电规划设计院有限责任公司，江苏 南京 210019)

0 引言

自3G技术推广以来，无线通信系统的吞吐能力一直面临着移动接入业务迅猛发展所带来的巨大挑战。为进一步提高商业通信系统的容量，在频分复用(FDM)、时分复用(TDM)、空分复用(SDM)、码分复用(CDM)、极化复用(PDM)、波分复用(WDM)、正交频分复用(OFDM)、多输入多输出(MIMO)等技术之外，人们又发展了基于动态频谱接入的802.22、802.16等技术和标准[1]。近年来，人们发现电磁波可以携带轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)，并且不同的OAM模式相互正交，这一特征应用于频谱复用可极大地提升系统的容量和频谱效率[2-3]。

毫无疑问，研究基于OAM复用的通信技术，其前提是能够便捷地获得高质量的OAM载波。在光频段，OAM光波生成方法较为丰富，包括了螺旋相位板[4]、q板[5]、计算机辅助全息图[6]、螺旋透镜[7]、超表面[8]、Dammann栅格板[9]、模式转换[10]以及变换光学[11]等诸多方法。因此，针对OAM光通信系统的研究工作也比较多[12-18]。反观微波段，产生OAM波束的方法显得寥寥无几。2007年，Thidé等人报道了基于圆环形相控天线阵OAM射频波束的生成方法，这种方式可以重构l

本文基于环形行波天线原理，提出了一种采用环形槽线结构产生多种模式OAM波束的方法。天线采用双端口正交馈电的方式激励，为此设计了一个加载90°相移器的威尔金森功分器。在此基础上，分析和比较了理想馈电情况下不同OAM模式下天线的辐射效果，探讨了馈电网络与天线的集成特性，并结合互易定理模拟了天线收发OAM波束的过程。

1 天线原理及结构设计

环形行波天线的工作原理如图1所示。图中α，φ，θ，r分别表示圆环半径、方位角、俯仰角和原点至观察点的距离。当在圆环上加载电流I=I0ejlφ时(其中，I0与l分别表示电流幅度和模式数)，则在观察点L(r,θ,φ)处的辐射场可表示为[25]：

(1)

图1 环形行波天线工作原理

1.1 环形槽线天线结构

环形槽线天线的结构示意如图2所示，①为槽线，②为介质基板，③为馈电网络，④为反射背腔。反射背腔的深度为λ0/4，其中λ0为自由空间波长。采用FR4基板，其相对介电常数εr=4.4，损耗角正切为0.02，厚度为1.6 mm。馈电网络位于基板的下表面，特征阻抗为50 Ω。SMA同轴探针从天线上表面穿过介质基板连接到馈电网络③的输入端口。环形槽线的周长为C=lλg，其中λg为槽线的波导波长。当介质基板的相对介电常数为3.8≤εr≤9.8时，λg可采用下式计算得出[23]：

λg=λ00.9217-0.277lnεr+0.0322(ws/h)×

(2)

式中，h为介质基板的高度，ws为槽线的宽度，f0为工作频率。通过取不同的l值可以调整环形槽线的尺寸，并产生不同模式数的OAM波束。值得注意的是，圆环作为典型的谐振结构，若要生成具有螺旋相位的OAM波束，则需要抑制驻波分量并使其工作在行波状态。为了解决此问题，设计了一种馈电网络，并采用双端口正交馈电方式来进行激励。

图2 环形槽线天线结构示意

1.2 馈电网络

图3(a)为馈电网络的结构示意图，由威尔金森功分器和相移器组成。功分器的作用是输出2个全同信号；相移器串联在功分器的输出端口之一，通过增设微带延时线，使得该路的输出信号相对于另一路的输出信号相位延迟90°。换而言之，最终2路输出信号幅度相等，但相位却相差90°，形成一对正交信号。图3(a)中，p表示功分器的输入端口，SMA同轴探针从槽线天线上表面穿过基板连接到p点，a和c表示功分器的2个输出端口，a和b之间是长度为λg/4的微带延时线。为了使该天线工作在行波状态，馈电位置1和2相距n±lλg/4，其中n为整数。

图3(b)给出了功分器S参数的仿真结果，其中S12和S13分别表示端口p，a和端口p，c之间的传输系数，S11表示端口p的反射系数。不难看出，a和c两点的信号等幅度同相，并且S11在1～3.5 GHz范围内小于-10 dB，在1.95～2.45 GHz范围内小于-20 dB，表明电路匹配良好。通过增加长度为λg/4的微带延时线，使得到达b点的信号相对于c点的信号有90°相位延迟。

图3 馈电网络模型

2 天线仿真与性能分析

首先，讨论在理想馈电的条件下，当天线工作的模式数l不同时，所生成波束的变化情况；其次，分析将设计的馈电网络和天线连接时，天线的工作情况；最后，模拟两天线间OAM电波的收发场景，并观察OAM波束的传播。

2.1 模式数l的影响

仿真条件设置如下：h=1.6 mm，ws=2 mm，εr=4.4，f0=2.4 GHz。图4、图5及图6给出了当模式数l依次取2、3、4、5时，OAM波束的变化情况。其中，图4描述的是波束横向场的强度分布，显然，电场呈螺旋状分布，螺旋轨迹的数量为2l，波束中心区域场强极小，呈现出中空波束的特点，并且随着l的变大，这一区域的尺寸也随之变大，图5描述的是波束横向场的相位分布，可以清楚地看出数量为l的螺旋轨迹，这正是OAM波束最重要的本质特征。图6描述了天线的三维远场辐射图，不难发现，辐射图中央有凹陷，且凹陷区域的尺寸随l的增加而变大，波束变得愈加发散，这从另一角度阐释了中空波束的内涵。

图4 不同模式数的电场强度分布

图5 不同模式数的相位分布

图6 不同模式数的三维远场辐射

2.2 馈电网络的影响

图7描述的是将设计的馈电网络与天线集成之后，工作于l=3模式的天线的工作情况。图7(a)～图7(c)分别表示天线的电场强度分布、相位分布以及远场三维辐射图。通过将图7(a)～图7(c)分别与图4(b)、图5(b)和图6(b)进行比较可以发现，集成天线增加了功率的损耗，但仍能满足生成OAM波束的要求，这间接验证了馈电设计的可行性和有效性。

图7 集成天线仿真结果

2.3 OAM波束的收发与传播

互易定理表明天线具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线。同一天线作为发射或接收天线的基本特性参数是相同的。仍然以l=3为例，如图8(a)所示，将2个集成后的天线①、②放置在相距为d的位置上，并使它们的中心保持在同一轴线上。假设天线①是发射天线，天线②是接收天线。图8(a)给出了2个天线基板中电场的分布，由图不难发现，基板中电场沿圆环呈周期分布，且天线①发射的信号经过传输衰减后，天线②接收到的信号强度有了明显的减弱。图8(b)进一步给出了两天线间的传输系数，通过对比S11和S12可以看出，传播距离d在这2个收发天线之间的引入了30 dB左右的传输损耗。

图8 波束收发模型

为了进一步直观地考察距离d的影响，分别取d=4λ0、d=10λ0、d=20λ0进行计算，得到如图9所示的发射天线的远场三维辐射图和如图10所示的辐射波束电场的纵向剖面图。从图9可以看出，在d不同的情况下，天线的辐射副瓣也不尽相同，这说明接收天线对OAM波束的传播有一定的影响，并且随着d的增大，副瓣逐渐消失；图10描述的是对应的纵向电场的强度分布，从中不仅可以看出OAM波束中空的特征，也可直观地观察到OAM波束在传输过程中的发散现象。随着d的增加，更多的能量偏离天线的轴线方向，向周围空间扩散，这对位于轴线方向上OAM天线的接收能力提出了更高的要求。

图9 发射天线的三维远场辐射

图10 辐射波束的纵向电场分布

3 结束语

基于环形槽线结构提出了一种新的OAM天线，为天线设计了一种加载90°相移器的威尔金森功分器，使天线能够以双端口正交馈电的方式被激励，并最终可按设计生成所需要的OAM波束。分析了当模式数l变化时，理想正交信号激励下天线工作特性的变化；以l=3为例，考察了馈电网络对天线工作性能的影响，并进一步模拟了OAM信号在收发天线之间的传播过程。结果表明，所述基于环形槽线结构的天线适用于生成多种模式的OAM射频波束。本文的工作对促进基于OAM的无线通信系统和技术走向实际应用有重要参考价值和指导意义。