【学术论文】超宽带OAM天线的设计与研究
摘要：
随着现代通信技术的快速发展，对天线提出了体积小、频带宽、多频段工作的性能要求，同时解决频谱资源短缺和频谱利用率低的问题也迫在眉睫。将轨道角动量(OAM)这种新的频谱复用资源与超宽带天线技术相结合，设计了一种超宽带OAM天线。仿真结果表明，OAM天线的工作频带覆盖Ku、K和Ka多个频段，在高频的微波段可产生多种模态的OAM波束；同时各模态的OAM波束具有良好的旋转性和对称性，并分析了不同OAM模态波束的特点；最后发现在多频段上不同频点产生相同模态的OAM波束时，其能量集中性基本保持一致，这在一定程度上说明了此OAM天线的可行性和有效性。
0 引言
工业和信息化部曾批复了24.75～27.5 GHz和37～42.5 GHz频段用于5G技术研发试验，在较高频段的微波段中，争用带宽的设备少，传输速率有保障。因此，在即将到来的高速信息时代，开发高频段毫米波通信技术将会极大地缓解频谱。目前已经应用码分复用(CDM)、时分复用(TDM)、极化复用(PDM)、正交频分复用(OFDM)以及多输入多输出(MIMO)等技术去解决频谱资源短缺的问题，但这些技术的应用依旧难以满足未来通信更高速率、更高带宽的发展趋势。因此，寻找其他新维度的复用技术来提高频谱利用率也已成为大势所趋。
轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)在无线电通信系统中可以作为一种新的调制方式。基于OAM复用的通信技术可以实现在同一带宽内并行传输多路携带信息的OAM涡旋电磁波，能够大大提高频谱的利用率[1]。OAM在光学中已经被广泛应用，通过引入OAM，光通信系统的传输能力得到很大程度的提升[2]。要想将OAM这种新的调制技术应用于微波段，其前提是能够获得高质量的OAM波束。2010年，MOHAMMADI S M等人通过偶极子阵列天线产生了携带OAM的电磁波束[3]；2011年，TENNANT A等人进一步研究，提出时间开关阵列(Time-Switched Array，TSA)，可以产生不同模态的OAM波束[4]，但载波的信息有效性不是很好；2012年，TAMBURINI F采用螺旋抛物面天线验证了这种OAM复用技术[5]，实现了在同一频带多路信号的传输，但这种天线结构过于单一，不能实现多模态OAM波束的产生；2014年，BARBUTO M等人提出了采用圆极化贴片天线产生OAM波束的方法[6]，这种天线的辐射效率不高；2015年，BAI X等人用圆喇叭阵列天线生成了OAM波束[7]，但产生的模态效果不太理想；2016年，LIANG J等人提出了用尺寸小、辐射效率高的介质谐振器天线制作宽频带OAM天线[8]，仅实现了在几个特定频率中心产生OAM波束，严重限制了整个宽频带的利用价值。之后，越来越多的OAM天线被提出[9-10]。上述众多产生OAM波束的方法都没能实现具有结构简单、超带宽、多频段工作的OAM天线。因此，探索并设计超带宽OAM天线对OAM复用技术在微波射频领域的发展具有重要的意义。
本文基于圆环相控阵列天线模型和OAM涡旋电磁波的产生原理，利用半圆柱介质谐振器天线，设计了一种超宽带OAM天线。天线可在Ku、K和Ka 3个波段工作，解决了OAM天线在高频微波段难以实现超宽带的问题，有效地提高了频带利用率。通过对超宽带OAM天线主要性能参数的分析，证实了天线性能良好，并在几个具有代表性的频率中心产生了电场辐射图，产生的波束符合OAM涡旋电磁波最关键的特征，同时也对工作频带上不同频率中心产生的不同OAM模态的电场增益方向图进行了分析。
1 OAM天线原理及结构设计
1.1 圆环相控阵列天线模型
1.2 OAM天线结构设计
介质谐振器天线因其具有馈电方式多、辐射效率高、损耗低而且体积小的特点，所以比较适合将其作为超宽带OAM天线的辐射单元。图2(a)显示的是超宽带OAM天线结构，设计过程并未采用完整的圆柱介质谐振器天线，是为了扩展天线的频带宽度。同时经过多次仿真优化，确定使用标准的半圆柱介质谐振器天线可以实现最大的相对带宽。
辐射单元天线如图2(b)所示，半圆柱介质谐振器天线放置在介质基板之上，半圆柱介质谐振器天线采用Rogers 5880材料制成，其介电常数ε=6，采用50 Ω阻抗的同轴探针方式馈电。半圆柱介质谐振器天线的半径R=3.2 mm，高度H1=5 mm；介质基板的材料为Rogers RT/duroid 5880 (tm)，其采用聚四氟乙烯玻璃纤维增强材料制造，基板的厚度为H2=1 mm，相对介电常数为2.2。利用同轴探针方式馈电时，探针的位置以及其嵌入介质体的深度对天线各方面性能都有较为明显的影响。经过多次仿真实验，通过参数扫描和优化参数的方式获得了探针最佳的位置，应距离半圆柱介质体中心1.6 mm的位置，嵌入介质体的最佳深度为H3=0.9 mm。
2 仿真与分析
图3(a)表示OAM天线的回波损耗S11，由图中的m1和m2可以计算出相对带宽可以达到93%，频带覆盖了Ku、K和Ka 3个波段。图3(b)表示OAM天线的电压驻波比VSWR，可以发现图3(a)中m1和m2之间的频带，在图3(b)中对应的VSWR参数均小于1.50。在Ku、K和Ka这3个频段上，选取几个具有代表性的频点m3、m4、m5以及m6，它们的VSWR参数分别达到了1.01、1.04、1.02和1.02。因此，由天线主要性能参数可知，此OAM天线不仅满足超带宽的设计要求，而且阻抗匹配也较为良好。
图4和图5分别描述的是中心频率为19.1 GHz和32.5 GHz两种情况下，模态数l=0、1、2、3的电场辐射图的变化情况。显然，在l不等于0的情况下，电场呈螺旋状分布，这正是OAM波束最重要的本质特征，而且OAM涡旋轨迹的波束的数量为2l。同时也不难发现，电场辐射图中央有凹陷，呈现出了中空波束的特点，随着l的增加，凹陷区域的面积也随之变大。其实OAM波束凹陷区域场强很小，若凹陷区域的面积变大，OAM波束变得愈加发散。因此，在检测和接收OAM波束信号时，中空凹陷区域的辐射范围的变化必须作为一个考虑因素。
图6和图7表示中心频率为19.1 GHz和32.5 GHz两种情况下，不同OAM模态的电场增益方向图。将图6中的(a)~(d)和图7中的(a)~(d)进行对比，发现两种频率产生相同模态的OAM波束时，它们的电场增益图大小变化基本相同，说明产生的OAM涡旋电磁波能量集中性大致一样，而且每个模态的电场增益方向图对称性良好，体现出了OAM波束具有旋转性和对称性的特点。但随着l的增加，可以发现19.1 GHz频率比32.5 GHz频率产生的OAM波束的螺旋相位波前结构效果更好，当l=3时，体现得更加明显。
3 结论
本文基于半圆柱介质谐振器天线和OAM涡旋电磁波的产生原理，有效地将OAM通信技术与超宽带天线技术融合，设计了一种超宽带OAM天线。天线工作于Ku、K和Ka 3个高频微波段，实现了OAM波束在多频段上的产生，使其发挥更多提升频谱利用率的能力；通过仿真分析，发现在不同频点下产生相同模态的OAM波束，它们的电场增益大小变换几乎一样，也就是说多频段上不同频点产生相同模态的OAM波束，其能量集中性基本保持不变，并且都具有良好的旋转性和对称性，这在一定程度上说明了此OAM天线的有效性和可行性；因此，基于半圆柱介质谐振器天线结构的OAM天线适用于生成多种模态的OAM波束，对促进OAM天线的研究以及多频段的应用都具有一定参考价值。
参考文献
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[10] 李强，孙学宏，庞丹旭，等.基于多模态OAM涡旋电磁波的L波段宽频阵列天线设计[J].电子学报，2016，44(12)：2954-2959.
作者信息:
常 伟1，孙学宏2，3，刘丽萍1，3
（1.宁夏大学 物理与电子电气工程学院，宁夏 银川750021；
2.宁夏大学 信息工程学院，宁夏 银川750021；3.宁夏沙漠信息智能感知重点实验室，宁夏 银川750021）
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