angular模态框位置_宽带双波束双模态OAM反射阵天线

摘要

本文提出了一款背对背双开口环型宽带反射单元，并结合口径场叠加方法，设计了一款宽带双波束-双模态轨道角动量(OAM)反射阵天线。反射阵单元包含背对背双开口环型金属结构、FR-4介质基板、空气层和金属地板四部分。背对背双开口环型金属结构的多谐振特性有效地展宽了单元带宽。通过改变单元的空间旋向(0-180度)，该单元获得了连续360度的反射相移范围。测试结果表明，该天线在5-8 GHz的频率范围内成功地产生了分别携带l=+1和l=-1模态OAM的两个涡旋波束，OAM带宽为50%，1-dB增益带宽为33.3%。

01.引言

随着移动电话、无线局域网、宽带卫星系统、数字卫星电视等应用的爆炸式增长，人们对无线通信的带宽和数据传输速率的要求越来越高。轨道角动量(OAM)以其理论上拥有无限个正交的本征模态的独特性质，具有提高频谱效率和通信容量的潜力，逐渐成为一个新的研究热点^[1-4]。携带轨道角动量(OAM)的涡旋波是一个具有螺旋相位波前的非平面结构。OAM的不同模式之间相互正交，这使得能够通过对OAM的不同模式进行编码，在相同频率上同时传输多信道信息^[5]。

近年来，多种类型的OAM天线被相继提出，如抛物面天线^[5]、螺旋相位板^[6]、阵列天线^[7]、平面波导天线^[8]和行波环形缝隙天线^[9]等。然而，这些天线存在着模式单一、带宽窄、设计复杂等问题，制约了它们的应用范围。反射阵天线^[10]结合了阵列天线和抛物面天线优点，具有独特的电磁波相位调制优势，非常适合用于产生OAM涡旋波。文献[11]中提出的天线在5-7.5 GHz的频率范围内成功地产生了携带l=+2模态OAM的涡旋波束。文献[12]利用P-B单元设计了一款反射阵天线，在12-18 GHz的频率范围内产生了涡旋波束。尽管这些天线具有较宽的OAM带宽，但是只产生了单一模态的涡旋波束。目前，宽带多模OAM反射阵天线的研究尚少。

02. 单元设计

(a)

(b)

图1 单元的结构示意图

背对背双开口环型反射单元的结构示意图如图1所示。该单元由背对背双开口环型贴片、1.6 mm厚的FR-4介质基板、空气层和金属地板四部分组成，周期为25 mm。其中，背对背双开口环型贴片是由简单的开口环结构演化而来的，放置在FR-4介质基板的上表面。在左旋圆极化波照射下，由于背对背双开口环型贴片在水平方向和垂直方向上的不对称性，通过调整单元的结构参数，可以实现圆极化单元设计。此外，该单元是一个单层四谐振结构，其多谐振特性可以有效地展宽圆极化带宽。

利用电磁仿真软件HFSS分析单元的反射特性。图2 给出了单元在左旋圆极化波垂直入射的情况下，主极化(左旋圆极化)和交叉极化(右旋圆极化)反射电平的频率响应曲线。在5-10 GHz的宽频率范围内，主极化和交叉极化电平的差值均高于15 dB, 说明该单元为圆极化单元，可以采用单元旋转调相的方法。图3 给出了左旋圆极化波入射的情况下，单元在不同频率下主极化反射相位与单元旋转角度之间的关系曲线。在5 GHz、6 GHz、7 GHz、8 GHz、9 GHz、10 GHz等频率时，单元的主极化反射相位和单元旋转角度之间均存在着近似2:1的线性关系。当频率发生变化时，移相曲线发生了平移，这说明阵列单元之间的相对相位几乎不会发生改变。图4 给出了左旋圆极化波以不同角度斜入射的情况下，单元在6 GHz时的移相曲线。从图中可以看出，单元对30°以内的斜入射角度不敏感，具有良好的稳定性。

图2 主极化和交叉极化反射电平的频率响应曲线

图3 左旋圆极化波入射的情况下，单元在不同频率下主极化反射相位与单元旋转角度之间的关系曲线

图4 左旋圆极化波以不同角度斜入射时，单元的主极化反射相位与单元旋转角度之间的关系曲线

03. 反射阵面相位计算公式

图5 反射阵天线结构示意图

考虑图5中所示的坐标系，为了将喇叭天线发出的准球面波经过电磁表面相位补偿后反射形成分别指向()方向的k个OAM光束，结合口径场叠加方法^[13]，电磁表面上的单元所需要的“相位突变”的计算公式如下：

其中，是喇叭天线的相位中心到单元中心位置()之间的距离，是自由空间的传播常数，是单元在第k个OAM波束的辐射方向的法平面上对应的方位角，是第k个波束携带的OAM模态。

04. 天线整体设计

基于背对背双开口环型宽带反射单元，这里设计了一款宽带双波束-双模态OAM天线，图6所示为该天线的示意图。入射的左旋圆极化平面电磁波经过电磁表面上的各个单元特定的相位补偿后,沿着指定的方向反射形成两个携带不同OAM模态的涡旋波束。一个波束携带l=+1模态的OAM,并且朝着(20°, 0°)方向传播；另一波束携带l=-1模态的OAM，朝着(20°, 180°)方向传播。反射阵面的中心工作频率为6 GHz，单元个数为30×30，口径面积为75 cm×75 cm，并采用焦径比为0.8的正馈方式，此时反射阵面的相位分布如图7所示。

图6 天线结构示意图

图7 反射阵面的相位分布图

05. 结果与分析仿真结果

利用电磁仿真软件HFSS对该天线进行了仿真分析。图8分别给出了每个涡旋波束在6 GHz时的近场电场幅值及相位分布图。从图中可以看出，每个涡旋波束都有一个类似“甜甜圈”形状的环形场强幅值分布，波束中心都存在一个能量极低的“空洞”。相位都呈现单臂螺旋状分布，相位值绕中心轴从0°连续变化到360°，但变化方向相反，这分别与模态为l=+1和l=-1的涡旋波束特性相符合。

图9给出了不同频率各个涡旋波束的近场电场相位的仿真结果。5、6、7和8 GHz时两个波束的电场相位呈现出旋转方向相反的单臂螺旋状分布，说明了该天线在5-8 GHz的宽频率范围内成功地产生了分别携带l=+1和l=-1模态OAM的两个涡旋波束。

图8 6 GHz时每个波束的近场电场特性 (a) l=+1时电场幅值分布 (b) l=-1时电场幅值分布 (c) l=+1时相位分布 (d)l=-1时相位分布

图9 不同频率下每个涡旋波束的电场相位分布图

测试结果

鉴于良好的仿真结果，这里采用印刷电路板(PCB)技术对该天线进行了加工，并在微波暗室中利用平面近场测试系统对该天线进行了测试。图10所示为微波暗室中的测试示意图。探针的扫描平面与涡旋波束的辐射方向垂直，可以获得不同频率下扫描面内各采样点的电场幅值和相位数据，然后通过近-远场变换方法，便可以得到天线的远场特性。图11给出了不同频率下二维远场增益方向图的仿真和测试结果。从图中可以看出，测试结果与仿真结果基本一致，每个光束的中心存在一个幅值凹陷，说明该天线成功地同时生成了两个指向不同方向的涡旋波束。该天线的远场测试增益的频率响应曲线如图12所示，两个波束的最大增益值约为22.2 dBic，1-dB 增益带宽为33.3% (5.4-7.4 GHz)。

图10 微波暗室中的测试示意图

图11不同频率下的仿真和测试增益方向图

图12 远场测试增益的频率响应曲线

06. 天线性能比较

表1 给出了这里设计的天线与其他参考文献的对比。从表中可以看出，该天线的OAM带宽达到50%，1-dB增益带宽达33.3%，优于其他参考文献中的结果。文献[14]、[15]和[17^]中报道的天线只能产生单一模态的OAM波束，而这里设计的天线可以同时产生两个不同模态的OAM波束。

07.参考文献

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本文来自L. Yu, X. Li, Z. Qi, H. Zhu, Y. Huang and Z. Akram, "Wideband Circularly Polarized Dual-Mode Vortex Beams Reflectarray Design Using Dual-Semi-Split-Loop Elements," in IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 18, no. 12, pp. 2676-2680, Dec. 2019.

文本校对

总结

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