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文献引用格式:吴杰,[J].通信技术,2021,54(6):
1502-1508.
WUJie,-tieantenna[J].
CommunicationsTechnology,2021,54(6):1502-1508.
doi:.1002-
33
基于蝶形振子的涡旋电磁波天线阵列设计*
吴杰,刘运林
(西南交通大学,四川成都611756)
摘 要:基于均匀圆形阵列(UniformCircularArray,UCA)产生涡旋电磁波的原理,提出一种以
变形蝶形振子为阵元的八元涡旋电磁波阵列的设计。通过给阵元馈以等幅等相位差的激励信号,阵
列能够辐射出涡旋电磁波,且通过改变阵元间激励信号的等相位差值,改变涡旋电磁波的模态数,能
够为日益拥挤的频谱利用带来新的频率复用方式。仿真结果表明:天线阵列的-10dB阻抗带宽(l=1
时)~(%),带宽性能良好;各模态中电磁波波前相位均呈现清晰的螺旋结
构,相位分布稳定;,增益性能良好。
关键词:涡旋电磁波;轨道角动量;均匀圆形阵列(UCA);蝶形振子;微带天线
中图分类号:文献标识码:文章编号:
TN822A1002-0802(2021)-06-1502-07
DesignofVortexElectromagneticWaveArraybasedonBow-TieAntenna
WUJie,LIUYunlin
(SouthwestJiaotongUniversity,ChengduSichuan611756,China)
Abstract:
BasedontheprincipleofgeneratingvortexelectromagneticwavesfromaUCA(UniformCircular
Array),thispaperdesignsaneight-elementvortexelectromagneticwavearraywithadeformedbow-tie
phasedifference,thearraycanradiatevortexelectromagneticwaves,andbychangingthephasedifference
oftheexcitationsignalsbetweenthearrayelements,thenumberofmodesofthevortexelectromagnetic
,
wavescanbechangedwhichcanbringanewfrequencyreusemethodtotheincreasinglycrowdedspectrum
-10dBimpedancebandwidthoftheantennaarrayis
~
(%);thewavefrontphaseoftheelectromagneticwaveineachmodepresentsa
correspondingclearspiralstructure,andthephasedistributionisstable;themaximumgainofthearrayin
,andthegainperformanceisgood.
Keywords:
vortexelectromagneticwave;orbitalangularmomentum;UCA(UniformCircularArray);bow-tie
antenna;microstripantenna
0 引 言AugularMomentum,SAM)共同组成电磁波中的角
动量系统。研究表明,后者是与电磁波场极化有
轨道角动量(OrbitalAngularMomentum,OAM)
关的动量[1],而前者表现为绕传播轴旋转的波前相
是电磁波角动量中的一种形式,与自旋角动量(Spin
收稿日期:;修回日期:
*2021-02-242021-05-17Receiveddate:2021-02-24;Reviseddate:2021-05-17
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第54卷吴 杰,刘运林:基于蝶形振子的涡旋电磁波天线阵列设计第6期
位。1992年,物理学家Allen[2]通过实验证明,具阵列在处于远场区的观测点P(r,θ,ϕ)处产生的
有螺旋相位因子ejlφ(其中:l为涡旋波束的模态,总场强E为:
−jkrN
理论上可以是任意值;φ为方位角)的拉盖尔高斯ej[kRsinθcos(φ−φ)+φ]
E=∑Ie0nn=
(Laguerre-Gaussian,LG)光束携带OAM,而光作r=
n1(1)
为电磁波,对涡旋光的研究很容易延伸至其他电磁e−jkr
*f
波段。大量科研人员对OAM涡旋电磁波产生了浓rA
[3]
厚的兴趣。1996年,Turnbull等人通过使用螺旋式中,fA为阵列因子,ϕn为第n个阵元的方位角,
相位板产生了携带Laguerre-Gaussian模式的毫米波k为真空中波数。
[4]
段涡旋波束。2007年,Thide´教授等人提出一由于单元均匀排列,ϕn满足:
种通过对圆形阵列天线调相的方法,产生了无线电2π(n−1)
φ=(2)
频段的涡旋电磁波,将OAM涡旋波束从光域引入nN
[5]
射频域。2012年,Tamburini等人通过一段距离因此,第n个阵元的激励相位φn=lϕn。
442m的通信实验,证实了将携带OAM的涡旋电磁当阵元数N足够大时,为求和项形式的阵因子
波应用于无线通信的可能性。因螺旋相位因子ejlφ可近似表示为积分形式:
NI2πφθφ−φ
的存在,具有不同模态值的涡旋波束相互正交、互=jln∗jkR0sincos(n)φ
fA∫eed=
不干扰,为电磁波在已有的极化、频率等自由度上2π0
NI2πφ−φθφ
带来了新的自由度。Tamburini等人的实验也证实,ejl(')∗ejkR0sincos'dφ'=
∫0(3)
可通过对涡旋电磁波不同模态进行调谐以实现无线2π
NI
通信。这一性质极大地拓展了电磁波在同频率下的ejlφJ(kRsinθ)
2πl0
复用率,为当下日益拥挤的无线通信频段提供了新
的频率复用方向。式中,Jl(kR0sinθ)为kR0sinθ的第一类l阶贝塞
本文基于均匀圆形阵列设计了一种将传统蝶形尔函数。
振子的两振子臂延伸展宽的变形蝶形振子天线,并所以,P点的总场强可表示为:
−jkr
以此为阵元组成八元阵列,通过改变各阵元激励信NIejlφ
E≈eJl(kR0sinθ)(4)
号的相位,用以产生携带OAM的涡旋电磁波。2πr
可以看出,远场场强中含有螺旋相位因子ejlϕ,
1 理论基础即产生了携带OAM的涡旋电磁波。根据文献[5],
均匀圆形阵产生的涡旋电磁波模态数l受阵元数N
图1为一沿半径R0均匀分布的N元圆形阵列N
的约束,需要满足l<。
天线,阵列放置于XOY平面。假设各个单元馈以2
相同幅度I的激励信号,且第n个阵元的激励信号
相位为φn=2πl(n-1)/N,其中l为涡旋电磁波模态数。2 阵列单元设计与仿真
本文以蝶形振子为基础,将传统蝶形振子臂拉
长展宽作为阵列单元。提出的阵元天线结构俯视图
如图2所示。、
°的FR4材料,基板厚度为
,面积45mm×45mm。经仿真优化后,天
线各项尺寸参数如表1所示。
对阵元天线进行电磁仿真,得到其回波损耗
结果如图3所示。可以看出,阵列单元的最大回波
,为-,其-10dB阻
~,天线带宽性能较好。
图4为天线增益图,,最大辐射方
图1 N元圆形阵列天线示意向为Z轴,可以看出天线单元的方向性和增益特性
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都较为良好。振子臂将出现重叠。若阵列半径太大,天线辐射的
能量将过于分散,导致产生的涡旋电磁波性能变差。
经多次仿真优化,最终选择阵列半径R0=。
各天线单元间馈电相位差∆φ=2πl/8,其中l为涡旋
电磁波的模态数。
图2 阵元天线结构俯视图
表1 阵元天线相关参数
序号参数数值/mm
(a)EH-plane
(b)3D
图4 阵元天线增益方向图
图3 阵元天线回波损耗S11曲线
3 天线阵列设计与仿真
文献[6]分析了3种圆形阵列(均匀圆阵、径
向圆阵、切向圆阵)产生的OAM涡旋电磁波的性能。
经比较分析得出,均匀圆形阵列产生的涡旋电磁波
的性能最好。基于此原因,本文采用均匀圆阵排列
方式。此外,8个天线单元沿圆周等角间距放置在
L×L=110mm×110mm的FR4基板上。阵列结构俯
视图如图5所示。对于阵列半径的选择,由于所提
出蝶形振子形状的特殊性,若阵列半径太小,部分图5 阵列天线结构俯视图
·1504·
第54卷吴 杰,刘运林:基于蝶形振子的涡旋电磁波天线阵列设计第6期
当生成OAM模态数为1时,阵列的回波损耗
如图6所示。由于各单元间的耦合,其谐振频率
相较于单个阵元有所下降,
参数为-。此外,阵列-10dB阻抗带宽为
~,带宽性能良好。
(c)l=1
图6 l=1时,阵列天线回波损耗S11曲线
图7~图9分别给出了馈以相位差∆φ=0、
±45°、±90°、±135°时阵列产生模态数l=0、
±1、±2、±3的电磁波的电场幅度分布图、电场
相位分布图以及阵列天线的3维增益方向图。
(d)l=-2
(a)l=0
(e)l=2
(b)l=-1(f)l=-3
·1505·
(d)l=-2
(g)l=3
图7 不同OAM模态下辐射电场强度分布
(e)l=2
(a)l=0
(f)l=-3
(b)l=-1
(g)l=3
图8 不同OAM模态下辐射电场相位分布
(c)l=1
·1506·
第54卷吴 杰,刘运林:基于蝶形振子的涡旋电磁波天线阵列设计第6期
(d)l=±3
(a)l=0图9 不同OAM模式下,天线阵列的3维增益方向图
l=0时,阵列各单元被等幅等相位馈电,辐射
平面波,电场幅度和相位均匀分布,最大辐射方向
为Z轴,。
l≠0时,阵列各单元间馈以的激励幅值相等,
相位相差∆φ。在垂直阵轴方向的平面上,电磁波
相位从0到2π变化l次,即开始出现螺旋状的波前
相位分布。
可以看出,阵列辐射出不同模态电磁波的涡旋
结构清晰,相位分布呈明显的螺旋结构,不同模态
。此外,l≠0时,
电场幅度中心出现空洞,相位中心开始出现相位奇
点,且随着|l|逐渐增大,空洞部分越明显。由于中
心空洞的存在,天线阵列增益有所下降,天线的方
(b)l=±1
向性随之变差。
纵向对比图7,可以观察到|l|=3时,涡旋波束
的场强幅度涡旋臂尾端之间有相互融合的迹象,且
场强幅度最大值并未集中分布在中心区域,较其余
模态时分布较为分散。此种变化趋势也反映在图9
的增益方向图中。
纵向对比图8,可以看到|l|=3时,波束的相位分
布涡旋臂未能很好地交汇于中心相位奇点,相位的涡
旋性较其余模态有所恶化。上述变化趋势的原因在于
产生的涡旋模态数l接近了阵元N所决定的约束条件。
本文所设计的涡旋电磁波阵列与文献[7]、文
献[8]对比,相关天线性能参数对比如表2所示。可
以看出,提出的涡旋阵列在阵元形式上有所改变,天
线带宽及增益较其余两款设计具有较好的优势,能
(c)l=±2够产生带宽性和增益性都较为良好的涡旋电磁波。
·1507·
表2 天线性能参数对比
对比参数本文文献[7]文献[8]
阵元形式变形蝶形振子矩形微带天线加载寄生单元的矩形微带天线
阵元尺寸/×××
阵元数目886
阵列半径R0/
带宽/~~~
最大增益/(l=1)(l=1)(l=-1)
产生模态l0、±1、±2、±3±1-1
结 语
4 manychannelsonthesamefrequencythroughradio
本文设计了一种以变形蝶形振子为阵元的八元vorticity:firstexperimentaltest[J].NewJournalof
均匀圆形阵列天线,通过给阵元馈以等幅等相位差Physics,2011,14(3):1-17.
的激励信号,实现涡旋电磁波的辐射。仿真结果表[6]WUHY,YUANYQ,ZHANGZY,-based
明,通过改变馈电信号的等相位差值,阵列能够辐orbitalangularmomentumradiobeamgenerationand
射不同模态的涡旋电磁波。各个模态下(l≠0时),receptionunderdifferentarrayconfigurations[C]//
电磁波幅度和波前相位的螺旋结构清晰,且最大增IEEE2014SixthInternationalConferenceonWireless
。l=1时,阵列-10dB阻抗带宽为CommunicationsandSignalProcessing(WCSP),2014.
常伟孙学宏刘丽萍等基于无线频段的
~,阵列带宽性能和增益性能良好,[7],,,.5GHz
环形微带阵列天线设计现代电子技术
能够为日益拥挤的频谱利用带来新的频率复用方式。OAM[J].,
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