0 引言

    近年來(lái),，頻譜資源利用率低已成為無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)發(fā)展迫切需要解決的瓶頸問(wèn)題，多種分集技術(shù)(如空間分集,、極化分集,、頻率分集等)已經(jīng)成功被用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，以提高頻譜效率,。但傳統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)僅使用頻率,、時(shí)間,、碼型和空間等資源作為自由度，它們的調(diào)制能力是有限的,。OAM渦旋電磁波的復(fù)用技術(shù)可以在同一頻點(diǎn)下實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的同時(shí)傳輸^[1],，它作為一個(gè)有發(fā)展前景的方法，對(duì)解決頻譜利用率低,、頻譜資源短缺等問(wèn)題提供了一定的研究思路,，帶來(lái)了不可估量的研究?jī)r(jià)值。

    軌道角動(dòng)量（Orbital Angular Momentum,，OAM）表征出具有相位因子為exp(jlφ)的螺旋相位波前結(jié)構(gòu)的自然屬性^[2]。OAM作為一種不同于相位,、幅度,、極化的調(diào)制維度被引入到無(wú)線(xiàn)通信中，可以有效地提高通信系統(tǒng)的容量和效率,。螺旋透鏡^[3],、超表面^[4]、螺旋相位板^[5]等光領(lǐng)域OAM波束的產(chǎn)生方法很難全部應(yīng)用于微波段的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中,，探索合適的微波段OAM波束產(chǎn)生方式顯得尤為重要,。2013年，TAMBURINI F等人基于螺旋拋物面天線(xiàn)進(jìn)行了OAM無(wú)線(xiàn)通信實(shí)驗(yàn)^[6],，證明了利用OAM渦旋電磁波進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信以及增加無(wú)線(xiàn)傳輸容量的可行性,；2014年，BAI Q等人利用8個(gè)相同的矩形微帶貼片組成圓形相控陣天線(xiàn)產(chǎn)生OAM波束^[7],；2015年,，BAI X等人用三極化圓喇叭陣列天線(xiàn)生成了OAM波束^[8]；2016年,，KANG M S等人采用配置了8路均勻功率分配器的圓形陣列天線(xiàn)產(chǎn)生模式數(shù)l=1的OAM波束^[9],。此后，更多關(guān)于OAM天線(xiàn)和OAM波束生成的方法被提出^[10-11],。然而,，尺寸小、輻射效率高才是OAM陣列天線(xiàn)使用時(shí)考慮的主要因素,。利用上述微帶陣列天線(xiàn)產(chǎn)生OAM波束時(shí),，由于輻射陣元是微帶貼片，其在低頻段天線(xiàn)幾何尺寸大,，不易實(shí)現(xiàn)小型化,；高頻段金屬歐姆損耗又高，輻射效率低,；而螺旋拋物面天線(xiàn)結(jié)構(gòu)單一且只能產(chǎn)生低階模式數(shù)的OAM波束,，在實(shí)際通信系統(tǒng)中,，其利用價(jià)值將受到嚴(yán)重限制。因此,，探索一種低損耗,、小體積、易加工的OAM陣列天線(xiàn)對(duì)未來(lái)微波通信的發(fā)展具有重要意義,。

    介質(zhì)諧振器天線(xiàn)由低損的微波介質(zhì)材料構(gòu)成,，合適的高介電常數(shù)可以降低天線(xiàn)的實(shí)際尺寸，其饋電方式又多種多樣,，比較適合應(yīng)用于OAM陣列天線(xiàn),。本文基于有耗環(huán)形天線(xiàn)相關(guān)理論，建立有耗環(huán)形介質(zhì)諧振器陣列天線(xiàn)的等效模型,，提出了一種采用介質(zhì)諧振器陣列天線(xiàn)產(chǎn)生OAM波束的新方式,。對(duì)此OAM陣列天線(xiàn)進(jìn)行了仿真優(yōu)化并分析了相關(guān)性能參數(shù)，分析了不同陣列半徑對(duì)3D遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖效果的影響,，在此基礎(chǔ)上探索了介質(zhì)諧振器陣列天線(xiàn)不同饋電位置和不同饋電方式對(duì)生成OAM波束的影響,。

1 陣列天線(xiàn)模型及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 有耗環(huán)形陣列天線(xiàn)等效模型

    理想環(huán)形陣列天線(xiàn)模型不能準(zhǔn)確描述實(shí)際情況，因?yàn)榄h(huán)形陣列天線(xiàn)的損耗是無(wú)法避免的,，所以環(huán)上的電流強(qiáng)度不可能一直保持恒定不變,。因此，建立有耗環(huán)形陣列天線(xiàn)等效模型來(lái)說(shuō)明其產(chǎn)生OAM波束的原理更為合理,。環(huán)形陣列天線(xiàn)模型如圖1所示,。

1.2 陣列天線(xiàn)設(shè)計(jì)

    單元介質(zhì)諧振器天線(xiàn)的側(cè)視圖與俯視圖如圖2所示。在接地面開(kāi)一個(gè)矩形耦合槽,，開(kāi)槽中心與輻射單元的中心重合,。電流在微帶線(xiàn)中傳遞時(shí)被矩形槽切斷，將能量耦合到介質(zhì)諧振器天線(xiàn)中,，產(chǎn)生輻射,。介質(zhì)諧振器天線(xiàn)垂直放置于矩形槽縫隙上，微帶線(xiàn)垂直通過(guò)矩形槽的中心位置,，因?yàn)檫@樣槽的輻射阻抗最大,，會(huì)使更多能量饋入介質(zhì)諧振器天線(xiàn)中。

    圖2中,，①表示單元介質(zhì)諧振器天線(xiàn),，由陶瓷填料的聚四氟乙烯復(fù)合材料構(gòu)成，其介電常數(shù)ε₁=38.9,，底面半徑為R=2.86 mm,，高度為H₁=2.51 mm；②表示接地面,；③表示材料是Rogers RT/duroid 5880(tm)的介質(zhì)基板,，基板的厚度H₂=1 mm,，其相對(duì)介電常數(shù)ε₂=2.65，損耗角正切值為0.02,；④表示饋電微帶線(xiàn),，由于50 Ω的微帶線(xiàn)寬度約為2.4 mm，微帶線(xiàn)的寬度太寬會(huì)影響天線(xiàn)的性能,，因此選取特性阻抗為100 Ω,，寬度為W=0.72 mm，再進(jìn)行阻抗匹配變換即可得到50 Ω阻抗匹配,。微帶線(xiàn)伸出矩形槽的長(zhǎng)度L_S會(huì)直接影響天線(xiàn)的匹配和回波損耗,，通過(guò)不斷地仿真優(yōu)化，最終發(fā)現(xiàn)L_S=2.5 mm時(shí)能達(dá)到最優(yōu)效果,；⑤表示同軸饋電端口,；⑥表示在接地面上開(kāi)的矩形槽，其長(zhǎng)度和寬度分別為L(zhǎng)_f=5 mm,、W_f=1.4 mm。矩形槽長(zhǎng)度和寬度的變化,，會(huì)對(duì)天線(xiàn)的阻抗匹配和增益特性造成一定影響,。在設(shè)計(jì)開(kāi)槽尺寸時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮開(kāi)槽長(zhǎng)度的影響,。因?yàn)殚_(kāi)槽長(zhǎng)度L_f對(duì)天線(xiàn)起主要的影響,，它不僅影響天線(xiàn)的阻抗匹配和諧振頻率，還影響天線(xiàn)回波損耗,。開(kāi)槽寬度W_f對(duì)諧振頻率和回波損耗影響較小,，主要影響天線(xiàn)的阻抗匹配。

2 仿真與分析

    圖3(a)表示陣列天線(xiàn)的回波損耗S11,，在中心工作頻率10.5 GHz處參數(shù)達(dá)到-32.73 dB,；圖3(b)表示電壓駐波比VSWR，陣列天線(xiàn)在中心工作頻率10.5 GHz處達(dá)到了1.1,，而且電壓駐波比VSWR的參數(shù)在中心頻率附近均小于1.5,，所以此OAM陣列天線(xiàn)阻抗匹配良好且各輻射陣元的諧振頻率具有良好的一致性，滿(mǎn)足天線(xiàn)設(shè)計(jì)的性能要求,。

    圖4表示不同陣列半徑產(chǎn)生模態(tài)值l=1,、2、3的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖（λ_g為介質(zhì)中的波長(zhǎng)）,?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著模態(tài)值l的增加,，中心空域逐漸變大,；陣列半徑在一定范圍內(nèi),，半徑稍大，介質(zhì)諧振器陣列天線(xiàn)輻射的OAM波束效果越好,。

    圖5表示陣列半徑為的不同饋電位置所產(chǎn)生模態(tài)值為l=1,、2、3的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖,。對(duì)比可知：按照?qǐng)D5(b)的饋電位置排列饋電時(shí),，中央空域有所減小，尤其在模態(tài)值l=3的情況下,，空域減小更為明顯,。圖6分析了按照?qǐng)D5中兩種饋電位置排列饋電時(shí)增益方向圖的變化，選取模態(tài)值l=1,、2對(duì)比發(fā)現(xiàn)：按照?qǐng)D5(b)方式排列饋電位置,，它所輻射的各模態(tài)的總增益都要比按照?qǐng)D5(a)方式排列饋電位置的總增益要強(qiáng)。因此,，采用介質(zhì)諧振器陣列天線(xiàn)產(chǎn)生OAM波束時(shí),，選擇合適的饋電位置對(duì)減小中央空域問(wèn)題有一定的幫助。

    對(duì)圖5中的(a)與(b)選取模態(tài)值l=2的情況對(duì)比發(fā)現(xiàn),，OAM波束在旋轉(zhuǎn)時(shí)它的中心空域是幾乎恒定不變的,；若利用圖7中的同軸探針饋電方式產(chǎn)生模態(tài)值l=2的OAM波束時(shí)，其在旋轉(zhuǎn)傳播時(shí)中心空域會(huì)逐漸擴(kuò)張且愈發(fā)明顯,，這就導(dǎo)致OAM渦旋電磁波在傳播過(guò)程中,，波前主輻射方向出現(xiàn)輻射零點(diǎn)且隨通信距離的增加出現(xiàn)能量擴(kuò)散現(xiàn)象，這對(duì)OAM渦旋電磁波的接收提出了更高的要求,。所以選取合適的饋電方式在一定程度上可以提高OAM天線(xiàn)的接收性能以及解決OAM信號(hào)遠(yuǎn)距離高質(zhì)量傳輸問(wèn)題,。

3 結(jié)論

    本文基于有耗環(huán)形天線(xiàn)相關(guān)理論及其等效模型，提出了OAM介質(zhì)諧振器陣列天線(xiàn),。通過(guò)仿真優(yōu)化分析了天線(xiàn)的相關(guān)性能參數(shù),，發(fā)現(xiàn)陣列半徑在一定范圍內(nèi)，半徑越大,，這種OAM天線(xiàn)的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖效果越好,；同時(shí)通過(guò)對(duì)不同饋電位置的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖和增益方向圖分析，發(fā)現(xiàn)用此種OAM天線(xiàn)產(chǎn)生OAM渦旋電磁波時(shí),，合適的饋電位置對(duì)解決中央空域問(wèn)題有一定的幫助,。在此基礎(chǔ)上，以模態(tài)值l=2的情況探索了OAM介質(zhì)諧振器陣列天線(xiàn)采用不同饋電方式對(duì)產(chǎn)生的OAM波束的影響,，結(jié)果表明：利用同軸探針饋電時(shí),，發(fā)射中心的中心空域會(huì)逐漸擴(kuò)張，能量出現(xiàn)擴(kuò)散,，所以合理的饋電方式在一定程度上可以提高OAM波束遠(yuǎn)距離傳輸質(zhì)量,，對(duì)加快OAM天線(xiàn)的發(fā)展以及將其應(yīng)用于實(shí)際無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)具有一定的重要意義,。

參考文獻(xiàn)

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作者信息:

常  偉1，孫學(xué)宏2,，3,，劉麗萍1，3,，薛嘉南1

（1.寧夏大學(xué) 物理與電子電氣工程學(xué)院,，寧夏 銀川750021；

2.寧夏大學(xué) 信息工程學(xué)院,，寧夏 銀川750021,；3.寧夏沙漠信息智能感知重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川750021）