基于5GHz无线频段的环形OAM微带阵列天线设计

常伟 孙学宏 刘丽萍 孙牧歌 席国法

关键词： 5 GHz无线频段; 涡旋电磁波; 环形阵列天线; 馈电网络; 轨道角动量; 频谱资源; 螺旋相位

中图分类号： TN828?34                         文献标识码： A                          文章编号： 1004?373X（2019）01?0014?05

Abstract： The shortage of the spectrum resources and low utilization of the spectrum have become the important factors hindering the development of wireless communication technology and Internet of Things. The orbital angular momentum （OAM） as a new technology of wireless communication has attracted extensive attention. A ring?shaped OAM microstrip array antenna based on 5 GHz wireless frequency band is proposed， and a feeding network composed of phase shifter with variable length and U?type phase shifter is designed. The specific realization of the feeding phase difference between the radiation array elements and related performance parameters of array antenna are analyzed. The results show that the OAM beam radiated by the array antenna has obvious helical phase wavefront structure， can generate the stable OAM vortex electromagnetic wave. The array antenna has the advantages of simple structure and easy processing， and has a certain reference value to solve the contradiction between channel capacity requirement and spectrum resources shortage in future wireless communication system.

Keywords： 5 GHz wireless frequency band; vortex electromagnetic wave; ring?shaped array antenna; feeding network; orbital angular momentum; spectrum resource; helical phase

0  引  言

随着以信息交互与传输为主的物联网规模的扩大，物联网已成为频谱资源需求的大户。影响物联网实际效率的WiFi技术标准主要是IEEE 802.11，要实现IEEE 802.11ac千兆数据速率的唯一方法是使用5 GHz频段，而且IEEE 802.11ac通信标准仅在5 GHz频段上工作，因此采用这一规范的网络几乎不会与其他无线设备发生冲突。毫无疑问，如果能够更好地利用轨道角动量[1]（Orbital Angular Momentum，OAM）涡旋电磁波的复用技术来提高5 GHz无线频段的频谱利用率，必将使物联网设备拥有更多的频谱复用资源。

携带OAM的电磁波就是涡旋电磁波。涡旋电磁波的产生是通过在正常电磁波上添加一个与空间方位角[φ]相关的旋转相位因子[ejlφ]，将正常电磁波转变为涡旋电磁波。此时电磁波波前将不再是平面结构，而是绕着波束传播方向旋转，呈现出一种螺旋相位结构，可以表示为[U（r，φ）=A（r）×ejlφ]。其中：[A（r）]表示正常电磁波的幅度值;[r]表示到波束中心轴线的辐射距离;[φ]表示为方位角;[l]表示为轨道角动量的模态值。理论上讲，不同模态值的涡旋电磁波是相互正交且相互之间不会产生干扰。利用这一特性，可以在同一带宽内并行传输多路携带信息的涡旋电磁波[2]。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扩展[3]。在光学中产生OAM波束的方法也有很多，比如螺旋相位板[4]（SPP）、计算干涉型全息图[5]、超平面[6]等方法。

当时国内关于OAM的研究主要在光学领域，对无线通信频段的OAM涡旋电磁波研究还处于起步阶段。近几年的最新研究成果表明，轨道角动量已经不仅仅局限在光领域内，也可以应用在无线电领域中。2007年，文献[7]提出将光子轨道角动量应用于低频无线通信领域，开创了将轨道角动量应用在无线通信领域中的先河。此后，关于轨道角动量产生方法的研究在很多文献中出现，文献[8]系统研究了利用偶极子阵列天线产生携带OAM的电磁波束，文献[9]进一步提出一种时间开关阵列（Time?switched Array，TSA），可以产生多个模态的OAM值。文献[10]采用一种螺旋抛物面天线和八木天线验证了携带轨道角动量电磁波在无线通信信息传输中的可行性，但其结构不够轻巧，而且要实现多模态OAM波束就必须改变天线的结构。文献[11]利用圆极化贴片天线生成了OAM电磁波，文献[12?13]使用三极化圆喇叭天线阵列生成了OAM无线电磁波，但其辐射效率比较低。同时，国内针对产生OAM的微带阵列天线带宽窄的缺点，进一步设计了工作在L波段的多模态OAM新型微带宽频阵列天线[14]，这种天线的馈电要求相对复杂。文献[15]提出用超表面将圆极化波转化为OAM波束，此方法要求超表面尺寸要足够大。文献[16]也设计了圆形天线阵产生OAM涡旋波束，但仅实现了在X波段OAM波束的产生。

综上分析，上述的OAM涡旋电磁波产生方法很难应用于实际的5 GHz无线频段通信系统中。因此，寻找合适的OAM涡旋电磁波产生方法并将其应用于未来的5 GHz无线通信系统中已成为当下亟需解决的问题。本文基于环形阵列天线产生OAM涡旋电磁波的原理，设计了一种工作在5 GHz无线频段的环形OAM微带阵列天线。为了实现阵元间馈电相位依次递增或递减相同的相移增量，又设计了相应的馈电网络。通过对阵列天线相关性能参数的分析，证实了环形OAM微带阵列天线性能良好，辐射出的波束符合OAM涡旋电磁波最关键的特征。此阵列天线具有重量輕、剖面低、易加工等特点，对提高未来无线通信系统容量和频谱利用率具有一定的指导作用。

1  环形阵列天线模型及结构设计

因为环形阵列天线的阵因子有螺旋相位[e-jlφ]，所以本文采用环形阵列天线产生稳定的OAM涡旋电磁波。图1表示环形阵列天线模型，其中[φ]表示方位角，[θ]表示俯仰角，[R]表示环的半径，[r]表示观测点到环形阵列天线的参考点[O]的距离。

1.2  馈电网络

图4是馈电网络的结构图，为了使阵列天线的单元微带贴片天线实现辐射阵元间45°的馈电相位差，产生模态值为+1的OAM涡旋电磁波，选用的馈电网络主要由物理长度可变的移相器构成。从A端口背面进行同轴馈电，A处到B处的微带线长度为[Lab]，A处到C处的微带线长度为[Lac]，要求[Lab]比[Lac]长[λg8]，[λg]表示介质中的波长，从而实现了B处比C处有45°相位延迟。因为阵列天线的圆环半径大小将会影响阵列天线的性能，所以在馈电网络中增加了U型移相器，相应的减小了馈电网络空间，也就减小了圆环的半径，同时也实现了D处90°的相位延迟和E处135°相位延迟。整个馈电网络由上下部分中心旋转得到，可以为F，G，H，I阵元提供另外的180°相移，环形阵列天线的半径约为[0.7λg]。

2  仿真分析

本文利用三维电磁仿真软件HFSS对设计的环形微带阵列天线进行仿真，由图5的回波损耗[S11]和图6的电压驻波比VSWR这两个天线主要性能参数可以看出，各阵元之间的耦合效应较小且各阵元的谐振频率具有良好的一致性。

阵列天线的[S11]参数在5.28～5.47 GHz范围内小于-10 dB，在中心工作频率5.39 GHz处，[S11]参数达到-41.15 dB。从图6的电压驻波比VSWR可以得出，阵列天线在中心工作频率5.39 GHz处达到了1.05左右，在工作频带5.33～5.44 GHz之间，电压驻波比VSWR的参数均小于1.5。天线阻抗匹配良好，满足天线设计的性能要求。

同时由图7的环形微带阵列天线的E，H面增益方向图可以看出，在工作频带内该阵列天线的增益性良好且与回波损耗[S11]以及图8的环形微带阵列天线的3D远场辐射图较好的吻合。

图9表示的是环形微带阵列天线产生波束的相位分布图，可以明显观察到，该阵列天线产生的波束有着明显的连续相位变换，涡旋波束的相位波前绕涡旋中心旋转一周，相位改变了2π，称作模态值为[l=1]的OAM涡旋波束，且呈现出螺旋相位波前结构，符合OAM涡旋电磁波最关键的特征。图10为模态值为±1的电场分布图，进一步说明了设计的环形微带阵列天线能够产生稳定的OAM涡旋电磁波。

3  结  论

本文基于环形微带阵列天线工作原理，提出一种基于5 GHz无线频段的环形OAM微带阵列天线。仿真结果表明，在其对应的工作频带内天线性能良好，阵列天线产生的波束具有一定的螺旋相位波前结构，符合OAM涡旋电磁波特征，可以成功产生OAM涡旋电磁波。由于该环形微带阵列天线选用的材料并非理想材料，各阵元之间会存在一定的耦合干扰，从而导致OAM涡旋电磁波并不一定完全存在旋转对称性，但该阵列天线与馈电网络结构简单且易于加工，对OAM涡旋电磁波在未来无线通信中的发展以及在5 GHz无线频段的实际应用都具有一定的研究与参考价值，具体在无线通信系统中的应用还需进一步探究与验证。

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