一种双频带涡旋电磁波微带天线*

窦海鹏， 张文梅

(1. 山西大学 物理电子工程学院， 山西 太原 030006； 2. 山西大学商务学院 信息学院， 山西 太原 030031)

电磁波的角动量包含自旋角动量(Spin angular momentum, SAM)和轨道角动量(Orbital angular momentum, OAM). 携带OAM的电磁波能够体现出螺旋相位波前的特性， 也被称为涡旋电磁波. 而不同的OAM模态之间具有正交性， 利用涡旋电磁波的这一特性， 可以极大地提高通信系统的频谱利用率和通信容量[1].

OAM已经在光学领域得到了广泛应用[2]， 近年来， 人们正致力于将OAM应用于无线电频段. 1996年， G. A. Turnbull等人利用透射型旋转相位板在毫米波波段实现了涡旋电磁波[3]； 2007年， Thide教授等利用矢量天线阵首次在无线电波段获得了携带OAM的涡旋电磁波[4]； 同时， R. Niemiec 等利用平面相位板产生了涡旋电磁波[5]； Mohammadi等系统研究了利用相控阵列天线产生携带OAM的电磁波束的方法[6]； Q. Bai等利用微带线馈电网络和8个矩形贴片组成的天线阵列在10 GHz处实现了OAM电磁波束[7]； Z. Guo等利用双层馈电网络和天线阵列实现了双模态的涡旋电磁波[8].

本文在单面UCA的基础上， 在天线介质基片下层加载与上层相同的UCA结构， 并使两层UCA夹角为 α， 实现天线在X波段(8～12 GHz)中的双频带工作； 同时， 利用相移馈电网络， 使阵列天线相邻单元的相位在双频处均依次改变 -45°. 仿真结果表明： 此阵列天线在7.76～8.62 GHz (相对带宽为10.5%) 和9.86～10.22 GHz (相对带宽为3.6%)内均辐射出了涡旋电磁波(模态数l=+2).

1 天线结构设计

本文提出的双频带涡旋电磁波微带天线结构如图 1 所示. 图1(a)为天线3-D图， 此双频带涡旋天线由3层结构构成， 上下两层UCA制作在厚度为1.6 mm的FR4介质层(εr=4.4, tanδ= 0.02)两侧， 形成双面均匀圆形天线阵列结构(DUCA). 上层UCA结构如图1(b)所示， 它包含8个相同的矩形微带贴片和1个非对称的微带线馈电网络. 矩形贴片阵列以介质层中心为圆心等半径均匀分布， 为了降低天线单元之间的互耦， 贴片中心距圆心半径r为0.6λ(λ为10 GHz对应的自由空间波长)； 馈电网络包含1个输入端口和8个输出端口， 每个输出端口激励对应的贴片单元. 下层天线结构如图1(c)所示， 与上层相同， 只是进行了顺时针旋转， 且与上层UCA夹角为α. 天线采用50 Ω同轴线馈电， 馈电点位于圆心处. 利用电磁仿真软件HFSS对该天线的参数进行优化， 最终的结构参数如表 1 所示.

图 1 双频带涡旋微带天线结构Fig.1 Configuration of the dual-band antenna array

Tab.1 DUCA structural parameters mm

2 天线原理与参数分析

将天线设计成DUCA结构， 并使上层和下层UCA形成一定夹角α时， 可实现双频带工作. 图 2 给出了天线的|S11|仿真结果. 当采用单面UCA结构时， 天线-10 dB带宽为1.08 GHz (8.87～GHz)， 此带宽由距离较近的3个谐振峰组成(9.05 GHz， 9.4 GHz， 9.7 GHz)， 9.7 GHz处谐振较强，S11为-24 dB. 当采用DUCA结构， 且α=0°时， 天线在8～10 GHz范围内阻抗失配. 当采用DUCA结构， 且α=42°时， 天线实现了双频带工作， 两个谐振点分别为8.4 GHz和10.06 GHz ， 对应的S11分别为-25 dB 和-24.3 dB， -10 dB带宽分别为0.86 GHz (7.76～8.62 GHz)和0.36 GHz (9.86～10.22 GHz).

图 2 天线反射系数Fig.2 Comparison of the reflection coefficient

为进一步说明天线双频带工作的原理， 给出了上述3种天线结构的输入阻抗的仿真结果， 如图 3 所示， 图3(a)和(b)分别为输入阻抗实部和虚部随频率变化的结果. 对于UCA结构， 天线输入阻抗的虚部在8.3 GHz 和9.7 GHz附近均接近于0 Ω， 然而实部只有在9.7 GHz附近才接近于50 Ω， 所以在9.7 GHz形成较强的谐振. 对于DUCA结构(α=0°)， 天线的输入阻抗在8～10 GHz范围内没有同时使得虚部为0 Ω以及实部为50 Ω的频率点， 因此， 此时天线不能形成双频带. 当采用DUCA结构(α=42°)时， 天线在7.76～8.62 GHz和9.86～10.22 GHz双频带内， 虚部接近于0 Ω且实部近似为50 Ω， 因此DUCA结构(α=42°)可以实现双频带工作.

图 3 仿真的天线输入阻抗Fig.3 Simulated input impedance of the reference and proposed antennas

图 4 给出了DUCA结构中夹角α对天线反射系数的影响. 从图 4 中可以看出：α是影响天线谐振频率的敏感参数. 当α=32°时， 天线在8.4 GHz处阻抗失配，S11大于-10 dB； 在10 GHz处形成谐振， -10 dB 带宽为0.56 GHz(9.7～10.26 GHz). 当α=42°时， 天线在8.4 GHz和10.06 GHz处同时形成谐振， 8.4 GHz处S11为 -25 dB， -10 dB带宽为0.86 GHz(7.76～GHz)， 10.06 GHz处S11为-24.3 dB， -10 dB带宽为0.36 GHz(9.86～10.22 GHz). 当α=52°时， 低频段中心频率增大至8.8 GHz； 高频段阻抗失配，S11大于-10 dB. 综上所述， 为使天线实现双频带工作， 选择α=42°.

图 4 不同α时DUCA的反射系数Fig.4 Simulated |S11| of the DUCA for different α

图 5 相移馈电网络Fig.5 Geometry of the feeding network

对馈电网络进行分析： 依据OAM产生原理， 为使均匀圆形天线阵列产生涡旋电磁波， 需要对天线阵列的8个贴片单元馈送幅值相同、 相邻单元相位差为2πl/N(N为阵列天线单元数，l为OAM模态数)的信号. 相应的微带线相移馈电网络如图 5 所示. 其中， 端口0为输入端口， 采用同轴馈电， 端口1-8为输出端口， 使用T型功分器和U型延迟微带线， 使得从端口0分别到端口1-4的微带线依次延长λg/8(λg为波导波长)， 实现相应各端口信号幅值相同且相位差固定为-45°. 另外， 此相移网络上下两部分关于中心点对称， 端口1和端口5同时被激励， 所以能实现l=+2的OAM. 为使最终的天线能实现双频带OAM涡旋电磁波， 利用HFSS优化了相移网络参数. 图 6 所示为仿真的相移网络传输系数的相位特性. 由于对称性， 端口5， 6， 7， 8的相位特性分别与端口1， 2， 3， 4相同， 且相邻端口的相位差在8.4 GHz和10.06 GHz处均为-45°， 误差在±5°以内.

将以上相移馈电网络应用于UDCA， 图 7 给出了当α=42°时UDCA的OAM电场幅值和相位波前分布的仿真结果. 由图7 (a)和(b)可知， 此DUCA在8.4 GHz和10 GHz处， 沿传播轴线方向电场强度均很弱， 出现中空的现象， 同时， 相位波前均呈现螺旋形分布， 并且沿涡旋中心旋转一周， 相位均改变两个360°， 表明在这两个频率处均产生了涡旋电磁波， 且模态数l=+2.

图 6 馈电网络传输系数的相位特性Fig.6 Simulated phase of transmission coefficients

图 7 DUCA的OAM电场幅度和相位波前分布Fig.7 Simulated intensity distribution (upper) and phase distribution (lower) of DUCA when α=42°

3 仿真与测试结果

依据上述分析结果， 加工制作了本文提出的双频带涡旋天线， 如图 8 所示. 并利用N5230A矢量网络分析仪和天线测试系统8092 (Lab-Volt corporation)对天线进行了测试. 图 9 为仿真与测试的|S11|曲线. 可以看出， 仿真的天线-10 dB阻抗带宽分别为7.76～8.62 GHz (相对带宽为10.5%)和9.86～10.22 GHz (相对带宽为3.6%)， 测试的结果分别为7.8～8.65 GHz和9.9～10.25 GHz， 相对带宽分别为10.3%和3.5%. 由于天线加工制作过程中存在误差， 测试的-10 dB阻抗带宽要比仿真的结果略窄， 且向高频处有微小的偏移.

利用相位梯度法[9]对涡旋天线的模态数进行了测量. 在以涡旋天线轴线为圆心的圆周上放置了两个接收天线， 两天线对圆心的夹角为β， 距涡旋天线60 cm. 两接收天线测得的涡旋电磁波相位分别为φ1和φ2， 相位差为Δφ=φ1-φ2， 则涡旋天线模态数

不失一般性， 估测了涡旋天线分别在8.4 GHz和10 GHz处的OAM模态数， 结果如表 2 所示. 为充分验证结果， 在以上两个频率处又分别估测了当β=3°，β=5° 以及β=8° 时的模态数. 结果显示： 在两个频带内估测的OAM模态数均在2左右， 相对误差(︱lideal-lestimate︱/lideal)在6.5%以内.

表 2 OAM模态数

图 8 天线实物图Fig.8 Photos of the proposed antenna

图 9 DUCA的仿真和测量的反射系数Fig.9 Simulated and measured |S11| of the proposed antenna

4 结 论

本文提出了一种双频带涡旋电磁波微带天线. 分析了背面加载的UCA在转过不同角度α时， 对天线谐振频率的影响； 同时， 调整了微带线移相馈电网络的参数， 使8个输出端口在8.4 GHz和10 GHz处均依次相移-45°， 从而使该天线在X波段实现了双频带 (7.8～8.65 GHz和9.9～10.25 GHz) 涡旋电磁波的辐射， 仿真和实验结果想吻合. 此天线结构紧凑， 可应用于OAM无线通信系统.

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