CN209001147U - 一种超宽带oam涡旋电磁波天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种超宽带OAM涡旋电磁波天线，包括介质基板、若干阵元以及与各阵元对应的同轴馈电端口，所述阵元采用半圆柱介质谐振器天线；所述阵元沿圆周等距排列在所述介质基板的一面，介质基板的另一面附上金属薄层作为接地面，所述同轴馈电端口通过同轴探针连接对应阵元。本实用新型解决了OAM天线在高频微波段难以实现宽频带和多频段工作的问题，有效地提高了频带利用率，对OAM复用技术在微波射频领域的发展具有重要的意义。

Description

一种超宽带OAM涡旋电磁波天线

技术领域

本实用新型涉及无线通信领域，尤其涉及一种超宽带OAM涡旋电磁波天线。

背景技术

目前人们接触的大部分信息都是通过无线信道进行交换和传输。智能终端的普及以及移动互联网应用的蓬勃发展，越来越多的移动设备投入使用，对信道容量和频谱利用率提出了更高的要求。但传统的调制技术，使用频率、时间、码型和空间等资源作为自由度，它们的调制维度是有限的。所以为了进一步提升通信系统容量和频谱效率，满足未来移动通信的需求，就需要探索新的技术。而轨道角动量(orbital angular momentum，OAM)将载波携带的OAM模式作为新的调制参数，利用其不同OAM模式之间的正交性进行信息传输可以有效地提高通信系统的容量和效率。OAM涡旋电磁波的复用技术可以在同一频点下实现多路信号的同时传输，对解决频谱利用率低、频谱资源短缺等问题提供了一定的研究价值。

目前，结合轨道角动量(OAM)在相关领域中的研究进展，在光学中产生OAM波束的方法有很多，比如螺旋相位板(SPP)、空间光调制器(SLM)、计算机辅助全息图(CGH)以及全息板(HP)等方法，但上述许多OAM波束产生的方法很难应用于微波段的无线通信中。在微波段产生OAM涡旋电磁波的主要方法有三种，一种是螺旋抛物面天线，可以通过改变抛物面天线开槽处的高度产生所需模态的OAM波束；另一种是环形槽线OAM天线，需要搭配相移器和威尔金森功分器去实现OAM波束的产生；还有一种就是阵列天线(即相位/时间控制方法)，通过控制相邻阵元间的馈电相位差产生不同OAM模态的涡旋电磁波束。2011年，Thide等人通过使用天线赋形的方式产生OAM涡旋电磁波。通过螺旋抛物面天线产生模态值l＝1的涡旋电磁波，这种天线是将抛物面天线扭曲成螺旋抛物面结构，形成连续的相位梯度，在物理上模拟了空间方位角的相位旋转产生的OAM模态数取l决于开槽处两端高度h，两者关系为h＝λl/2。这种OAM螺旋抛物面天线虽然结构原理与制作过程相对简单，但是实验中所采用的螺旋抛物面天线是一种单一固定结构，不适用于连续相位控制，一个确定的几何高度只能产生一种模态的OAM波束，不能在同一天线产生多模态的OAM波束，如果需要产生多种不同的OAM波束，则必须重新调整开槽处两端高度h，重新对天线开槽高度进行设计，这种方法不能满足广泛应用于实际微波通信系统中的需求。

除了利用上述螺旋抛物面天线产生OAM涡旋电磁波的方法，还可以通过改变阵元的激励相位关系来改变天线工作的OAM模态，即构成偶极子天线阵列结构。这种结构相对容易实现，同时也可以较好的实现多模态OAM波束的要求。偶极子天线阵列是产生携带OAM信号波束的一种方法，利用电磁波的干涉和叠加原理，将若干辐射阵元排列成圆阵，通过调整各阵元辐射场之间的相位差，使辐射能量在空间中重新分配，令某些区域的场增强而其它区域的场减弱，从而获得单个天线所不能达到的方向性。利用这种原理通过改变阵元之间馈电相位差的方式就可以产生不同的OAM模态。但是这种偶极子阵列天线半径高达几米到几十米，在进行阵列布置时需要极小的误差才能产生预期的模态值，同时如此大的尺寸在进行阵列天线调整时也极其复杂，对适用场所条件要求较为苛刻，在实际通信系统中应用价值并不高。在微波段中，许多人还采用微带阵列天线的方式来产生OAM涡旋电磁波，主要是将上述的偶极子阵元换为微带天线并激励相位来改变产生的OAM模态，在同一微带阵列天线实现多种OAM模态涡旋电磁波的功能。然而，尺寸小、辐射效率高才是OAM阵列天线使用时考虑的主要因素。利用上述微带阵列天线产生OAM波束时，由于辐射阵元是微带贴片，其在低频段天线几何尺寸大，不易实现小型化；高频段金属欧姆损耗又高，辐射效率低。

工业和信息化部曾批复了24.75-27.5GHz和37-42.5GHz频段用于5G技术研发试验，但现有的大多数研究主要集中在较低频率上产生OAM波束信号，而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以及探索一种低损耗、体积小、频带宽、多频段工作的OAM天线对未来微波通信的发展具有重要意义。

实用新型内容

本实用新型的目的在于通过一种超宽带OAM涡旋电磁波天线，来解决以上背景技术部分提到的问题。

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种超宽带OAM涡旋电磁波天线，其包括介质基板、若干阵元以及与各阵元对应的同轴馈电端口，所述阵元采用半圆柱介质谐振器天线；所述阵元沿圆周等距排列在所述介质基板的一面，介质基板的另一面附上金属薄层作为接地面，所述同轴馈电端口通过同轴探针连接对应阵元。

特别地，所述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，半径R＝3.2mm，高度H₁＝5mm。

特别地，所述介质基板的材料为Rogers RT/duroid 5880(tm)，其厚度H₂＝1mm，相对介电常数为2.2。

特别地，所述同轴探针采用50Ω阻抗的同轴探针；所述同轴探针距离半圆柱介质谐振器天线的介质体中心1.6mm的位置，嵌入介质体的深度H₃＝0.9mm。

本实用新型采用结构简单、体积小、辐射效率高的介质谐振器阵列天线代替偶极子阵列天线和微带阵列天线，所实用新型的超宽带OAM涡旋电磁波天线可以在Ku、K和Ka三个波段工作，不仅实现在同一频点同时产生多种OAM模态的涡旋电磁波，弥补了螺旋抛物面天线只能产生单一OAM模态的不足，同时也解决了OAM天线在高频微波段难以实现宽频带和多频段工作的问题，有效地提高了频带利用率，对OAM复用技术在微波射频领域的发展具有重要的意义。

附图说明

图1为不同模式数下的OAM涡旋电磁波；

图2-1和图2-2为圆环相控阵列天线模型与OAM波束产生原理示意图；

图3为天线阵列原理图；

图4为本实用新型实施例提供的超宽带OAM涡旋电磁波天线结构示意图；

图5为本实用新型实施例提供的半圆柱介质谐振器天线结构示意图；

图6为本实用新型实施例提供的中心频率为19.1GHz，模态数l＝0、1、2、3的电场辐射图；

图7为本实用新型实施例提供的中心频率为32.5GHz，模态数l＝0、1、2、3的电场辐射图；

图8为本实用新型实施例提供的回波损耗S11图；

图9为本实用新型实施例提供的电压驻波比VSWR图。

图10-1至图10-4为本实用新型实施例提供的中心频率19.1GHz下，不同OAM模态的电场增益方向图；

图11-1至图11-4为本实用新型实施例提供的中心频率32.5GHz下，不同OAM模态的电场增益方向图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部内容，除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，不是旨在于限制本实用新型。

针对OAM技术，物理机理方案阐述如下：

1992年，Allen首次用实验证明了电磁波携带自旋角动量(SAM，Spin angularmomentum)和轨道角动量(OAM，Orbital angular momentum)。SAM与极化有关，OAM与空间相位有关。OAM的螺旋相位波束拥有一个方位角因子理想状态下，OAM具有无限制的l值，可正可负，正数表示左旋，负数表示右旋，即能提供无限量态的OAM阶数，并且彼此正交。将轨道角动量添加到电磁波上时，电磁波的相位波前将呈现出非平面的扭曲结构，可在其上调制所需的信息，提高电磁波的信息传递和信息获取能力。

相位旋转因子决定了涡旋波束空间相位分布结构，不同OAM模态的涡旋波束的空间结构不同。与传统调制采用信号的幅度、相位、频率承载信息相比，轨道角动量是利用携带不同模态OAM的涡旋电磁波来承载信息，而极化调制方式是采用极化状态来承载信息。空间信号电磁场的角动量可以表示为

角动量可以分解为轨道角动量(OAM)和自旋角动量(SAM)

其中

是轨道角动量算子，为虚数单位，为矢量位函数。表征的是电磁波的极化方式，L与电磁波空间相位分布有关。

将轨道角动量应用在电磁波中，在正常的电磁波中添加一个相位旋转因子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，呈现出一种螺旋的相位结构，涡旋电磁波可表示为：

其中，A(r)为电磁波的幅值，r表示到波束中心轴线的辐射距离，为方位角，l是轨道角动量的本征值。具有不同本征值的涡旋电磁波是相互正交的，例如：本征值分别为l₁和l₂的两个涡旋电磁波，仅当l₁＝-l₂时，而当l₁≠-l₂时，说明具有不同本征值的涡旋电磁波是相互正交的。利用不同本征值的涡旋电磁波的正交特性，可在同一频带内并行传输多路涡旋电磁波信息，理论上具有不同本征值的涡旋电磁波相互之间不会产生干扰。

针对OAM技术，图形机理方案阐述如下：

从本质上讲，OAM涡旋电磁波就是由普通电磁波添加一个相位旋转因子产生，当涡旋电磁波携带信息之后，在空中传播的涡旋电磁波可以表示为：

式中，S(t)表示传递的信息数据。受旋转相位因子的影响，电磁波的相位波前由平面结构转化成螺旋结构的涡旋电磁波，其空间结构在波束传播方向上进行旋转，旋转一周波束的相位改变轨道角动量的方向，总是与电磁波的传播方向垂直。图1为不同模式数下的OAM涡旋电磁波，图中l＝0表示模式数为0的涡旋电磁波，其相位面为平面，并不具有轨道角动量，但当模式数发生改变，电磁波产生涡旋，此时的电磁波便携带轨道角动量；l＝±1时，电磁波相位面便呈现出涡旋状，从传输方向进行观察，能够观察到其相位面在一个周期内旋转了360°，携带1阶的OAM模式；l＝±2时，从传输方向能够观察到其相位面在一个周期内旋转了720°，携带2阶的OAM模式。正常电磁波其相位平面是没有螺旋特性的，而发射天线的功能是将电磁波的相位平面产生扭曲，数学形式上表示为添加一个特殊的相位因子，使得原本正常的电磁波发生扭曲，相位平面图具有螺旋形状。

图2-1和图2-2为圆环相控阵列天线模型与OAM波束产生原理示意图，以偶极子天线作为圆环相控阵列天线模型的阵元进行推导说明。图中N个偶极子天线单元沿半径为a的圆环阵列上均匀分布，从远场中任取一点M作为观察点，观察点M在xoy平面、xoz平面的映射点分别为M′、M″，r为OM″，θ为映射点M″与z轴夹角，为映射点M′与x轴夹角。为第n个阵元的空间位置，为第n个偶极子相位角，且有第n个偶极子的激励相位为l为OAM模态值。圆环相控阵列天线的电流分布为β_n为第n个偶极子激励电流的相位角。

根据波瓣图乘法原理，具有N元偶极子的圆环阵列天线在远场区任意一点处的电场和磁场表达式分别为：

其中E_dipole、H_dipole分别表示单元偶极子天线电场、磁场分布，为N元圆环天线阵因子，且 表示处于位置a_n的第n个阵元在观测角处产生的相对相位。L为偶极子天线长度，λ为波长，e^-jkr为相位因子，与各阵元的空间位置和激励电流相位β_n有关，且有因此阵因子可以进一步化简为：

当阵元个数N趋于无穷时，将从离散变化的变量变为连续变化的积分变量即同理，当N值趋于无穷时，两个偶极子阵元的角度差可视为微分量 则可得下式

因为表达式利用欧拉公式可化解为且上式的洛朗级数展开式为令则可得到：

很显然，上式是傅里叶展开式，根据傅里叶系数表达式可以得到：

因此，阵因子可进一步变为：

根据波瓣图乘法原理，圆环形阵列天线的电磁场表达式为：

显然，表达式中有关于方位角相关相位项这是涡旋波的基本特征，涡旋波的电磁场表达式与光学领域的拉盖尔高斯光束具有相应一致的相位项，是阵列天线在空间中的电磁场的幅度大小。

目前，产生轨道角动量的装置目前主要有四种，分别是透射螺旋面、透射光栅、反射螺旋面和阵列天线，本实用新型主要研究通过天线阵列的方法产生携带OAM的电磁波。对于OAM模态值为l的波束，相位的偏移量可以由得出。对于这种相位偏移的产生，阵列的每一个阵元都需要给予某些特定的相位偏移。为了从一个阵列中获得电场的属性，我们可以使用阵列因子(AF)，它依赖于位移(和阵列的形状)、相位、电流振幅和阵元的数目。所得到相同的天线总场为：

Etotal＝E single element*AF

利用对称性的属性，多个圆形网格面积相等扇区被选择。每个单独阵元的位置被给定。每个阵元中心的半径矢量为：

阵元之间分开的角度：

其中，m表示被放置的环阵元，n为所选环的位置。M是环的总数，N是每个环上阵元的总数量，如图3所示。电场表达式由下式给出

由2π的整数倍递增阶段中，每个天线阵元被馈送以相同的输入信号，阵元到阵元间具有连续的相位延迟2πl/N，其中l为阵列天线产生的OAM模态数，N为阵列天线的阵元个数，需要注意的是，阵列天线阵元的数目决定所能产生的OAM模态的最大值，即满足-N/2＜l＜N/2。

请参照图4所示，图4为本实用新型实施例提供的超宽带OAM涡旋电磁波天线结构示意图。

在本实施例中超宽带OAM涡旋电磁波天线具体包括介质基板101、若干阵元以及与各阵元对应的同轴馈电端口102，所述阵元采用半圆柱介质谐振器天线103；所述阵元沿圆周等距排列在所述介质基板101的一面，介质基板101的另一面附上金属薄层作为接地面104，所述同轴馈电端口102通过同轴探针连接对应阵元。

在本实施例中对阵元馈送相同的信号，各阵元之间有相继连续的相位延迟，涡旋波束围绕轴线旋转一周后相位增加2πl，通过改变阵元之间的馈电相位差产生不同的OAM模态，其中l为产生的模态数。所述超宽带OAM涡旋电磁波天线产生的OAM模态数l为：-N/2＜l＜N/2，阵元间具有连续的相位延迟2πl/N，其中N为阵列天线的阵元个数。在本实施例中超宽带OAM涡旋电磁波天线由8个阵元组成，因此产生的模态数范围为(-4，4)。

在本实施例中所述阵元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103，以实现最大的相对带宽。

如图5所示，在本实施例中所述半圆柱介质谐振器天线103采用Rogers 5880材料制成，其介电常数ε＝6，半径R＝3.2mm，高度H₁＝5mm。在本实施例中所述介质基板101的材料为Rogers RT/duroid 5880(tm)，其厚度H₂＝1mm，相对介电常数为2.2。在本实施例中所述同轴探针采用50Ω阻抗的同轴探针；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，所述同轴探针距离半圆柱介质谐振器天线103的介质体中心1.6mm的位置，嵌入介质体的深度H₃＝0.9mm。

本实用新型中超宽带OAM涡旋电磁波天线工作频段覆盖了Ku、K和Ka三个波段，并采用同轴探针馈电方式，同轴探针器安装在介质基板的背面，以便产生最好的匹配，大大简化天线设计的复杂度。与传统微波天线相比，介质谐振器天线具有造价低、材料易得、质量轻、体积小和馈电方式多样等结构优点，本实用新型利用半圆柱介质谐振器天线作为阵元，也继承了介质谐振器天线的诸多优点。本实用新型使用介质谐振器天线组成阵列天线，并在此基础上将轨道角动量(OAM)这种新的频谱复用资源与超宽带天线技术相结合并设计成超宽带OAM天线，来进一步提高频带利用率和系统容量。

本实用新型实现了OAM天线在Ku、K和Ka三个波段工作，在本实施例中阵列采用8阵元的半圆柱介质谐振器天线作为OAM阵列天线，可以产生携带多种OAM模态的涡旋电磁波，其中所产生的模态分别为l＝0，l＝±1，l＝±2，l＝±3，携带不同OAM模态的信息可以在同一时间、同一频点进行无干扰传输，有效地提高频谱利用率和系统容量。

本实用新型首次提出了将轨道角动量(OAM)这种新的频谱复用资源与超宽带天线技术相结合，应用于所实用新型的超宽带OAM涡旋电磁波天线中，解决了在高频多个微波段产生OAM涡旋电磁波的难题。本实用新型的超宽带OAM涡旋电磁波天线，可以产生多种模态OAM涡旋电磁波信号，将多路携带OAM模态的电磁波信号在同一频点上进行复用，并在同一时间进行信息传输，形成一种OAM空间复用，可以在不增加带宽的情况下实现系统容量的最大化，有效缓解当前日益增长的带宽需求同有限频谱资源之间的矛盾。本实用新型的超宽带OAM涡旋电磁波天线相对带宽可以达到93％，频带覆盖了Ku、K和Ka三个波段。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。对本实用新型进行实验仿真，得到阵列天线的增益、三维辐射图及方向图等特性参数，由仿真结果可以看出所实用新型阵列天线具有良好的性能表现。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。

具体应用时，本实用新型天线阵列制作在一个相对介电常数为2.2和厚度为1mm的Rogers RT/duroid 5880(tm)基板。天线的基本参数上文已经研究讨论，阵列半径为r＝0.7λ，保持阵列旁瓣在相对较低的水平。对于一个n元OAM圆形相控阵，所有的的辐射阵元都是馈送相同相移增量的信号。阵元间的相移可以通过2πl/n计算，其中整数l是OAM模式的数量，这样围绕阵列轴线旋转，相位将递增2πl几何弧度。那么可以生成“扭曲”的OAM涡旋电磁波。

图6和图7为在覆盖频段选取两个不同中心频率19.1GHz和32.5GHz时，产生的不同OAM模态值的电场辐射图分布情况，给出了不同波纵向电场的相位分布情况，可以看出所产生波束具有波的螺旋相位结构特征。其中，观测电场幅度的区域在圆形阵列的垂直正上方，在距离天线阵列2倍波长位置的观察区域绘制电场幅度图案。

根据观察，如图6和如图7所示，OAM模态为0，1，2和3清晰可见。当计算顺时针方向或逆时针方向时的螺旋波前数量时，阵元是同相的，此时会产生中空。当相位差和阵元之间的空间位置重合时，即阵元之间相位差为±45°的情况下，将会产生较强的方向性。也可以观察到，当OAM状态从1提高到3，在中心处的空区域将会扩大，高阶模态的辐射较前面低阶比较发散，其方向性也根据模态的数目不同而变化并且从中间凹下去。仔细观察可以发现上面的仿真结果并没有严格满足对称。这是由阵元不理想导致的，因为作为阵元的介质谐振器天线不是理想的偶极子天线，而是具有一定尺寸的几何结构，不具备完全旋转对称性。OAM波束最主要的特征是其具有螺旋相位波前结构，随着波束的传播，相位波前将绕着其中心旋转。

图8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三个波段。图9表示OAM天线的电压驻波比VSWR，可以发现图8中m1和m2之间的频带，在图9中对应的VSWR参数均小于1.50。在Ku、K和Ka这三个频段上，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10-1至图10-4为本实用新型实施例提供的中心频率19.1GHz下，不同OAM模态的电场增益方向图；图11-1至图11-4为本实用新型实施例提供的中心频率32.5GHz下，不同OAM模态的电场增益方向图。由于波束的相位结构基本不会随着传输距离的增加而改变，理论上由本实用新型所述的圆环形天线阵列产生的OAM波应该具有旋转对称性质，在辐射图上θ＝0°两侧的方向图函数值相等、曲线对称。当阵列OAM模态值分别为l＝0，l＝1，l＝2，l＝3时，在中心频率点附近，随角度的递进变化以及OAM模态值的变化，天线增益在1.0dB～9.5dB范围内变化，满足本实用新型对增益目标的实现要求。将图10-1至图10-4，图11-1至图11-4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19.1GHz频率比32.5GHz频率产生的OAM波束的螺旋相位波前结构效果较好，当l＝3时，体现的更加明显。

超宽带OAM涡旋电磁波天线的增益、带宽、方向图等多项技术指标是互相联系、互相影响的，设计中不可能全都满足，肯定存在顾此失彼的情况。提高超宽带OAM涡旋电磁波天线的性能，要从以上各个指标中，按工程需要找出一个平衡点。从对该天线的仿真分析可以看到该阵列天线模型基本可满足OAM天线阵列的需求，也证实所实用新型的超宽带OAM涡旋电磁波天线模型的实际可行性。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (4)

1.一种超宽带OAM涡旋电磁波天线，其特征在于，包括介质基板、若干阵元以及与各阵元对应的同轴馈电端口，所述阵元采用半圆柱介质谐振器天线；所述阵元沿圆周等距排列在所述介质基板的一面，介质基板的另一面附上金属薄层作为接地面，所述同轴馈电端口通过同轴探针连接对应阵元。

2.根据权利要求1所述的超宽带OAM涡旋电磁波天线，其特征在于，所述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，半径R＝3.2mm，高度H₁＝5mm。

3.根据权利要求2所述的超宽带OAM涡旋电磁波天线，其特征在于，所述介质基板的材料为Rogers RT/duroid 5880(tm)，其厚度H₂＝1mm，相对介电常数为2.2。

4.根据权利要求3所述的超宽带OAM涡旋电磁波天线，其特征在于，所述同轴探针采用50Ω阻抗的同轴探针；所述同轴探针距离半圆柱介质谐振器天线的介质体中心1.6mm的位置，嵌入介质体的深度H₃＝0.9mm。