双模态涡旋电磁波阵列天线设计

王倩男， 苏晋荣， 裴立力， 陈新伟

(山西大学 物理电子工程学院， 山西 太原 030006)

0 引 言

近年来， 随着科学技术的不断发展和进步， 信息产品不断地更新换代， 智能终端的数量与日俱增. 与此同时， 有限的传输带宽和频谱利用率已无法满足快速增长的带宽要求， 成为无线通信技术面临的关键问题. 涡旋电磁波由于携带轨道角动量(OAM)， 且不同的模式正交， 能有效利用频谱资源并提升波束抗干扰能力， 在通信领域可提升频谱利用率和通信容量， 在雷达成像领域可提升分辨率， 具有很好的应用前景.

当前， 关于OAM的研究主要集中在光学领域， 对于无线通信频段的研究还处于起步阶段， 近几年的研究表明， 轨道角动量在无线通信领域也具有广阔的发展前景. 2007年， Thide等[1]首次证明具有连续相移的均匀圆形阵列天线(UCA)可以用于产生OAM电磁波. 迄今为止， 有多种产生携带OAM涡旋电磁波的方法， 其中包括螺旋相位板结构、 单贴片天线和阵列天线等结构. 采用螺旋抛物面天线[2]和单一贴片被认为是获得OAM波束的典型方法； 文献[3]采用3个同心的圆形贴片同时生成了工作在l=+1和l=-2的OAM涡旋波， 然而单贴片生成的OAM涡旋波工作带宽较窄； 文献[4]采用螺母型贴片天线， 通过控制馈电点的位置生成涡旋波， 然而， 每次只能产生单一模式的涡旋波， 很难满足某些基于涡旋电磁波通信的多模式OAM波的要求. 阵列天线由于其简单的结构和易于控制的相位， 成为产生OAM电磁波的一种有效方法. 最早用来产生OAM涡旋波的阵列天线是在2009年实现的[5]. 此后， 关于阵列天线产生轨道角动量的研究在很多文献中出现. 文献[6]采用同轴馈电的半圆型开槽微带天线为单元， 实现了两个波段同时产生携带有轨道角动量的电磁波； 文献[7]将阵列天线与圆极化相结合， 形成了一种生成多种模态轨道角动量电磁波的阵列天线， 但上述两种结构都没有设计微带功分器； 通过移相器和功率分配器的组合， 使用4个贴片[8]或者8个贴片[9]可以生成固定模式的OAM涡旋波， 但这种方法设计的天线生成的OAM涡旋波模式单一； 通过多层均匀圆形阵列天线和镜像馈电网络组合尽管可以实现双模态的涡旋波[10]， 但天线的尺寸较大且端口间隔离度较小， 仍有进一步改进的空间.

本文设计了一种可生成两种模态的轨道角动量涡旋电磁波阵列天线， 通过调节每个阵列天线的功分相移馈电网络， 生成了l=+1和l=-2两种模式的涡旋电磁波， 并且利用阵列天线贴片间的耦合， 展宽了阵列天线的带宽， 同时天线结构紧凑， 端口间隔离度较大.

1 天线阵与馈电网络设计

1.1 天线结构

如图 1 所示， 整个天线阵列采用层叠结构， 第一层介质基板(S1)的顶层是两个微带天线阵(P1和P2)和一个功分相移馈电网络(N1)， 第二层介质基板(S2)的背面设计了另外一个功分相移馈电网络(N2)， 两个介质基板共用一个接地板(G1).天线阵列P2和馈电网络N2通过使用金属探针连接.两层介质基板都使用相对介电常数为4.4的FR-4， 厚度为1.6 mm. 两组生成不同OAM模式的阵列天线分布在半径分别为R1=33 mm 和R2=56 mm的同心圆上. 接地板和介质基板中都有8个圆形过孔， 以避免探针和接地板连接. 功分相移馈电网络为一组阵列天线依次提供相等幅度和恒定相位增量的信号. 为了简化馈电系统， 馈电网络由等功率功分器和延迟微带线构成. 天线各部分尺寸如表 1 所示.

(a) 顶层结构

表 1 天线各部分尺寸

1.2 馈电网络设计

对于具有N个单元的OAM圆形相控阵， 所有辐射单元的激励信号需要幅度相同， 但具有不同的相移增量φm=2πml/N(N为阵元个数，m为第m个阵元，l为OAM涡旋波的辐射模式). 阵元的数目决定了阵列天线可以产生的OAM模态最大值， 即一个N元阵列天线可以产生的OAM模式数取值范围为-N/2

图 2 阵列天线相位要求

对于生成OAM模式l=+1的阵列天线， 由于天线阵列下半部分是由上半部分中心旋转得到， 因此， 可以为下半部分贴片单元提供额外的180°相移， 天线阵列中8个贴片相位差和馈电网络之间相位差具有如下关系

(1)

馈电网络如图 3(a) 所示， 由延迟微带线和等功率分配器组成. 端口1为输入端口， 端口A1-F1是贴片馈电的8个端口， 从输入端口到A1-D1端口的微带线长度依次加长λ/8(λ为介质中的波长)， 用来实现45°的相位延迟， 同时采用λ/8的U型微带线， 用来减小馈电网络的尺寸.

文献[11]介绍了一种产生OAM涡旋波的方法， 对于生成OAM模式l=-2的阵列天线， 为了减小馈电网络的尺寸， 第i个贴片的旋转角度

(2)

式中：m=fix(φi,180°)，fix(a,b)定义为取a/b的整数部分的函数，φi为第i个天线单元贴片. 馈送信号的相对相位

(3)

(4)

其中， 天线阵元相位差360°表现为贴片不旋转， 相位差540°表现为贴片旋转180°， 馈电网络如图 3(b) 所示， 端口2为输入端口， 端口A2-H2是贴片馈电的8个端口， 从输入端口到B2,D2,F2,H2的微带线长度分别比到A2,C2,E2,G2的长度长λ/4， 用来实现90°的相位延迟.

(a) l=+1模馈电网络

通过使用三维电磁仿真软件HFSS进行仿真分析， 图 4 和图 5 显示了两个馈电网络的S参数， 可以看到在中心频率5.5 GHz附近每个馈电网络输出端口间的幅度基本一致，l=+1模馈电网络的端口间相移差45°， 误差±1.3°，l=-2模馈电网络的端口间相移差为-90°， 误差±1.8°.

(a) 幅度

(a) 幅度

2 仿真与测试结果

将馈电网络与辐射贴片组成如图 1 所示的阵列天线. 通过HFSS对天线进行仿真分析， 图 6(a) 显示了单个辐射贴片和阵列天线的S参数， 可以看到， 单个辐射贴片的-10 dB带宽为200 MHz.

(a) 单个辐射贴片和阵列天线的S参数

由于每个天线单元上接收到的电压信号会在自身天线单元上感应出电流信号， 而这个电流信号反过来又会激励出一个电磁场去影响相邻天线单元上的信号， 这种情况下， 天线单元之间产生了互耦效应. 正是因为天线单元之间的互耦效应， 在频带内产生了多个相近的谐振频率， 所以， 展宽了阵列天线的带宽. 仿真结果显示， 生成OAM模式l=+1和l=-2模的天线阵列带宽分别为 800 MHz 和650 MHz. 从图 6(b) 中可以看到在所工作频段内S21和S12均小于-32.5 dB， 说明两个输入端口之间耦合很低， 具有良好的隔离度.

图 7 和图 8 给出了两种模式的电场幅度和相位分布图， 在模式l=+1的OAM波电场幅值图和电场相位分布图中可以观察到一个涡旋， 相位从360°变化到0°， 在模式l=-2的OAM波电场幅值图和电场相位图观察到两个涡旋， 相位从0°变化到720°.

(a) 电场幅度图

天线的辐射方向图如图 9 所示， 从辐射方向图可以看出， 在涡旋电磁波束传播中心出现中央空洞现象，l=+1模和l=-2模的最大增益分别为5.84 dBi和4.07 dBi.l=+1模的最大波束角在25°～26°范围内， 相应的3 dB波束带宽约为30°；l=-2的最大波束角在25.5°～26.5°范围内， 相应的3 dB波束带宽约为18.5°.

(a) 电场幅度图

(a) l=+1模的辐射方向图

根据上述分析结果， 加工制作了提出的双模涡旋波阵列天线， 如图 10 所示， 天线的整体尺寸为125 mm×125 mm. 对天线进行测试， 图 11 为仿真与测量的S参数曲线， 由于天线加工过程中存在的不足， 测得生成OAM模式l=+1模和l=-2模的天线阵列带宽分别为780 MHz和 610 MHz. 图 12 为仿真与测量的S12,S21曲线. 测试结果表明， 在工作频段内， 输入端口间的隔离度大于32.5 dB， 测量结果与仿真结果吻合较好.

(a) 天线顶层

(a) l=+1模的仿真和实测S11

图 12 天线的仿真和实测S12, S21参数

3 结 论

本文设计了一种可生成两种模态轨道角动量涡旋电磁波的阵列天线， 通过调节每个阵列天线的相移馈电网络， 生成了+1模和-2模两种模态的OAM涡旋波， 并且利用阵列天线贴片之间的耦合展宽了阵列天线的带宽， 测试结果表明， 生成两种模式时天线的带宽分别为780 MHz和 610 MHz， 天线结构紧凑并且两个端口之间具有很好的隔离度.