一種新的軌道角動量天線設(shè)計

隨著射頻通信技術(shù)的發(fā)展，這些年來，科研人員在無線通信領(lǐng)域取得了很多的突破，射頻技術(shù)在里面大放異彩。無線通信主要建立在平面電磁波上，已充分利用時域、頻域、碼域、空域和極化域這些復用維度來提高頻譜效率。為了獲得更高的頻譜效率，業(yè)界在不斷嘗試從電磁波的物理特性入手來實現(xiàn)信息傳輸方式的突破，比如軌道角動量技術(shù)。近年來，軌道角動量一直是無線通信領(lǐng)域的研究熱點。

今天就給大家分享一個將軌道角動量與毫米波技術(shù)相結(jié)合的基于介質(zhì)諧振器的軌道角動量天線設(shè)計，非常具有實用性。這個設(shè)計建立了天線的等效模型，推導了其輻射場的理論表達，討論了介質(zhì)諧振器半徑對渦旋波電磁波模態(tài)的影響，通過仿真結(jié)果表明，該天線在波段有四個諧振點，能夠分別產(chǎn)生模態(tài)的渦旋電磁波。此外，該天線結(jié)構(gòu)緊湊，成本低，增益良好，具有較高的天線效率，產(chǎn)生的各個模態(tài)的渦旋電磁波都具有良好的旋轉(zhuǎn)性，能夠獲得較強的抗干擾能力，為軌道角動量在毫米波頻段的應(yīng)用提供了一定的現(xiàn)實意義。

天線設(shè)計

該天線設(shè)計了一種介質(zhì)諧振器天線，天線結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖3(a)是天線的三維結(jié)構(gòu)圖，可以看到該天線是由一個介質(zhì)諧振器，一條微帶線，一層介質(zhì)基板和一個接地面構(gòu)成，圖3(b)是天線俯視圖。

仿真結(jié)果分析

天線的S參數(shù)能夠準確反映電磁波傳遞過程種的反射情況。如圖7所示是該天線的S參數(shù)仿真結(jié)果，可以看到，S參數(shù)有多次下降，表明這些頻率的波耦合進了諧振器當中，但并不是所有都是OAM模式。在28GHz~36GHz之間，該天線產(chǎn)生了4個諧振點，能夠產(chǎn)生的OAM模態(tài)。分別是：在29.6GHz處產(chǎn)生的OAM模態(tài)，在30.6GHz處產(chǎn)生的OAM模態(tài)，在32.2GHz處產(chǎn)生的OAM模態(tài)，在35.1GHz處產(chǎn)生的OAM模態(tài)。圖8是該天線電壓駐波比的仿真結(jié)果，可以看到在四個諧振點處的VSWR幾乎達到1，在天線的工作頻段28GHz~36GHz之間匹配良好。

由圖9（左側(cè)）可以看出，該天線生成的4種OAM波束，空間螺旋相位波前結(jié)構(gòu)清晰可見，符合OAM渦旋電磁波的螺旋相位結(jié)構(gòu)特征，并且相位沒有產(chǎn)生畸變，說明該天線產(chǎn)生的OAM無線電波具有較好的抗干擾性。

圖9（右側(cè)）是OAM的４個模態(tài)在觀測平面上的振幅分布的波前。

圖10（左側(cè)）分別為是不同模態(tài)下的3D遠場輻射圖，可以看出本文提出的OAM天線的增益在工作頻率范圍之內(nèi)保持在6.47~8.18dBi，隨著模態(tài)的增加，增益呈現(xiàn)下降趨勢，說明工作頻率越高，該天線收發(fā)信號的能力越弱。由OAM波束相位奇點引起的零強度區(qū)域存在于波的傳輸方向（z軸）上，使得遠場輻射圖出現(xiàn)中心上方下凹，在軸線方向上出現(xiàn)波束中空的現(xiàn)象， 符合渦旋電磁波中心能量最低，邊緣能量高的物理特性。圖10（右側(cè)）為二維輻射方向圖（Phi=0deg），可以看出，所有主瓣方向角都很大，有利于電磁波的遠距離傳輸。

如圖11是天線的總效率，仿真結(jié)果表明，該天線在四個頻點都具有較高的效率。在29.6GHz處的效率達到92.3%，在30.6GHz處的效率達到92.5%，在32.2GHz處的效率達到89%，在35.1GHz處的效率達到86.2%。此外，在天線的整個工作頻段中，29.6GHz處的效率最高，達到92.5%，在29.2GHz處的效率最低，為70%?？傮w來說，該天線的總效率較高，在整個工作頻段均達到70%以上。

本文所介紹的基于介質(zhì)諧振器的軌道角動量天線價值非常高，它具有較高的天線效率和較強的抗干擾能力，為軌道角動量在毫米波頻段的應(yīng)用提供了一定的現(xiàn)實意義，同時能在多個領(lǐng)域投入使用，穩(wěn)定性極高，也為軌道角動量在天線技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用拓展了視野，打開了新的思路。

審核編輯：湯梓紅

?