生成轨道角动量的紧凑型圆极化圆环组贴片天线

陈思宇 熊丽 黄铭

摘  要： 可用于无线通信具有轨道角动量（OAM）的涡旋电磁波因其可在同一频率上同时传输多个信号而备受关注。然而，大多数产生OAM的方法结构较复杂或成本较高。文中创新性地提出一种产生OAM由三个圆环形贴片组成的贴片天线，这种圆环组贴片天线要优于之前提出过的相控天线阵列等，它结构简易紧凑且易于实现，较大地节约了经济成本。每个圆环贴片都可产生不同特定模式的圆极化电磁波，通过不同模式电磁波的组合进而产生具有OAM的涡旋电磁波。在对所提出的圆环组贴片天线进行理论分析的基础上，通过模拟仿真得到的结果比较理想，进而验证了该圆环组贴片天线的创新性。

关键词： 无线通信; 轨道角动量; 多信号传输; 圆环组贴片天线; 理论分析; 涡旋电磁波

中图分类号： TN827+.1?34                        文献标识码： A                        文章编号： 1004?373X（2019）13?0028?05

Compact circularly polarized ring?group patch antenna

generating orbital angular momentum

CHEN Siyu， XIONG Li， HUANG Ming

（School of Information Science and Engineering， Yunnan University， Kunming 650500， China）

Abstract： The vortex electromagnetic wave with orbital angular momentum （OAM） can be used for wireless communication， because it can transmit multiple signals with same frequency simultaneously. However， most of the methods to generate OAM have complex structure or high cost. A patch antenna composed of three ring patches is proposed innovatively to generate OAM. The ring?group patch antenna is superior to the phase?controlled antenna array proposed before， and has simple and compact structure， and is easy to implement， which can economize on the cost. Each ring patch can generate the circular polarized electromagnetic waves with different specific modes， and the combination of electromagnetic waves with different modes can generate the vortex electromagnetic waves with OAM. On the basis of theoretical analysis of the ring?group patch antenna proposed in this paper， the simulation results are satisfactory， and the innovation of the ring?group patch antenna is verified.

Keywords： wireless communication; orbital angular momentum; multi?signal transmission; ring?group patch antenna; theoretical analysis; vortex electromagnetic wave

0  引  言

现如今，为了提供更多的容量和支持多种宽带业务，在无线通信领域里扩大频谱资源是一种不可避免的趋势。随着电信技术的发展与进步，出现了许多提高频谱效率的技术，例如，正交频分复用（OFDM）技术等。除了上述方法之外，最近还提出一种基于携带有轨道角动量（Orbital Angular Momentum，OAM）的涡旋电磁波的新方法。由于每个拓扑荷OAM本征态模式之间都是正交和独立的，因而在未来通信方式中，可通过在传播的涡旋电磁波中创建多个分立频道来同时传输多个信号，因此OAM具有在同频率下同时传输多路信号而减小模式间串扰的巨大潜力[1]。

由于电磁波具有波粒二象性，因此电磁波同时具有线动量和角动量，而角动量又分为代表偏振态的自旋角动量（SAM）和代表场在空间中的相位和幅度分布的轨道角动量（OAM）。对于SAM，人们对其研究较早，直到1992年Alen等人发现了一种光束具有螺旋相位波前，它可以通过相位[exp（ilφ）] 来描述并且每个光子携带有拓扑荷为[l]?的轨道角动量（其中[l]可取任意整数值），这才吸引了人们的注意，具有OAM的涡旋电磁波因其可在同一频率上同时传输多个信号而备受关注，OAM的这一特性可用于提升信道容量和降低模式间串扰。起初OAM主要应用于光波段，以提高光纤通信系统的容量[2]。近年来，无线电波在理论上实现了产生并叠加OAM，这证明了OAM在射频领域所具有的应用前景[3]。后来，又提出频率选择表面、螺旋相位板、螺旋反射器、扭曲抛物面反射器、平面反射阵列和并联馈电或馈电网络圆形阵列等结构来产生OAM[4]。虽然产生OAM有以上多种途径，但它们要么架构相对复杂，要么就是制作成本较高，甚至以目前的生产制作水平还做不出来具体实物。

而本文创新性地提出一种简易的产生OAM的方法，通过三个大小不同的圆环形贴片同心放置在同一块介质基板上，每个贴片的辐射特性随着馈电点的相对馈电位置不同可以产生所要求的特定模式的电磁波，不同模式的电磁波组合，进而产生具有OAM的涡旋电磁波。本文设计所提出的圆极化圆环组贴片天线具有结构简易紧凑且易于实现、控制和生产加工等特点，同时得到的模拟仿真结果也比较理想，进而验证了该圆极化圆环组贴片天线的有效性和创新性。

1  圆环组贴片天线的理论分析

本文所提出的圆环组贴片天线由三个大小不同的同心圆环形贴片组成，首先对单个圆形贴片天线进行理论分析，对于产生[TMn1]模式的右旋圆极化圆形贴片天线，总的辐射场的[x]和[y]分量可以表示为：

因此，以上理论分析表明，本文所提出的圆极化圆环组贴片天线是能够产生OAM的。另外，通过改变每个圆环贴片馈电点的相对馈电位置和相对相位移的不同，可以产生不同的圆极化[TMn1]模式。

2  圆环组贴片天线的结构设计

本文所提出的圆极化圆环组贴片天线由三个同心但大小不同的圆环形贴片组合放置在同一块介质基板上，天线的几何结构如图1所示。每个圆环贴片都由两个同轴线采用正交馈电的方式即等幅但相对相位差为90°来馈电，并且两馈电点的相对方位角不同进而分别产生圆极化[TMn1]模式。

图1  天线几何结构图

本文所提出的圆极化圆环组贴片天线之所以选用圆环形辐射贴片而不是传统的几何形状，例如圆形或多边形辐射贴片，是因为圆环形贴片能够更好地减小贴片间互耦并且能使天线整体结构更加紧凑和小巧，进而提升天线性能，降低生产经济成本。

所有圆环贴片均被设计工作在5.8 GHz频率点附近，三个圆环贴片均压印在材料为Arlon AD410（相对介电常数为4.1，损耗角正切为0.003）的介质基板上，而接地金属面则压印于介质基板的另一面，天线的具体尺寸参数为：

内侧圆环贴片的内外半径分别为[a1=1] mm，[a2=7.1] mm，中间圆环贴片的内外半径分别为[b1=]8.5 mm，[b2=16.14] mm，外侧圆环贴片的内外半径分别为[c1=17.5] mm，[c2=25.14] mm，介质基板的半径和厚度分别为[r=60] mm，[h=1.575] mm，内侧圆环贴片两个馈电点之间的夹角为[90°]，中间圆环贴片两个馈电点之间的夹角为45°，外侧圆环贴片两个馈电点之间的夹角为135°，且每个圆环贴片的两个馈电相位差均为90°或-90°。

3  圆环组贴片天线的性能仿真结果及分析

本次仿真采用的是全波三维电磁仿真软件Ansoft HFSS，同轴线以50 Ω来匹配阻抗。本文分别从圆环组贴片天线的回波损耗、二维增益方向图、三维增益方向图、空间辐射相位分布等方面来考察天线的性能指标。

3.1  回波损耗

查看圆环组贴片天线的回波损耗即[S]参数，由于天线总共有六个同轴线馈电点，因此需分别查看[S11]，[S22]，[S33]，[S44]，[S55]和[S66]参数，其结果显示分别如图2～图4所示。

图2  [S11]，[S22]参数

图3  [S33]，[S44]参数

从结果图中可以看出，六个馈电端口的[S]参数均在5.8 GHz频点附近且小于-20 dB，有效带宽都达到至少0.6 GHz，体现了良好的带宽性，说明每个圆环贴片都达到了良好的阻抗匹配和能量输入。

图4  [S55]，[S66]參数

3.2  二维增益方向图

天线的E面和H面的二维增益方向图分别如图5，图6所示。

图5  E面二维增益方向图

图6  H面二维增益方向图

从图中可以看出，天线的增益效果比较好，辐射比较均匀。其中，H面的二维增益方向图相对不太均匀，这是由于整个圆环组贴片天线的六个馈电点的位置相对于对称轴[z]轴不是完全中心对称分布而造成的。

3.3  三维增益方向图

天线的三维增益方向图如图7所示。从图中同样可以看出，圆环组贴片天线的增益结果比较好，辐射比较均匀。

3.4  空间辐射相位分布

天线的空间辐射相位分布对于OAM来说是最重要的特性之一，也是本设计的重要性能指标之一。只要该圆环组贴片天线向空间所辐射出的电磁波在空间中具有螺旋相位分布，那么就可以认为电磁波携带有轨道角动量。圆环组贴片天线的空间辐射相位分布如图8所示。

图7  三维增益方向图

圖8  空间辐射相位分布

从图中可以明显地看出辐射出的电磁波的空间相位分布为螺旋相位分布且模式数为+1，即说明本文提出的圆环组贴片天线可以很好地产生OAM。另外，若将每个圆环贴片的两个馈电相位差均由90°改为-90°时，又可产生模式数为-1的涡旋电磁波，此时的空间辐射相位分布如图9所示。

图9  空间辐射相位分布

4  结  论

本文创新性地设计出一种由三个同心但大小不同的圆环形贴片构成的圆极化圆环组贴片天线，且每个圆环贴片均由两个同轴线以位于不同的相对方位夹角来正交馈电，当每个圆环贴片的馈电相位差为90°或-90°时，可分别产生具有模式数为+1或者-1的OAM的涡旋电磁波。本文所提出的圆极化圆环组贴片天线由于创新性地采用圆环形辐射贴片的设计，相较于传统形状的辐射贴片，优化了天线的谐振特性，最终减小了贴片天线的尺寸，使天线的结构尺寸更加简易和紧凑，节约经济成本。天线的仿真结果比较理想，进而验证了本文设计的有效性和创新性。

由于每个具有不同拓扑荷的OAM本征态相互之间都是正交且独立的，因此在信道复用等具体应用中，可将多个不同的OAM本征态相结合，这样可以极大地提高信道容量。以上所有特性都使本文提出的圆极化圆环组贴片天线在无线电通信和雷达等应用领域具有巨大的潜力和价值。与此同时，如何克服轨道角动量在传播过程当中的衰落和畸变等困难，以及如何更加简便且快捷地产生、传输和接收更多模式的轨道角动量等诸多问题，还有待解决。

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