传统无线通信由于其技术的局限性，所能携带的信息量已趋于饱和，难以满足信息爆炸式增长的趋势^[1]。1992年，L.Allen等人发现拉盖尔-高斯光束带有新自由度-轨道角动量(OAM)^[2]。2007年，瑞典Thide等人通过控制阵列天线相位，产生了涡旋电磁波，首次将轨道角动量应用于无线电磁波传输领域，证实了通过控制阵列天线的相位，可以产生OAM电磁波。随后，A.Tennant等人通过深入研究，发现使用时间开关阵列可以在不同频率上产生不同的OAM模式。但是，这种方法产生的OAM不能载有有效的信息。2011，Tamburini等人在前人的基础上进行了新的实验。他们的实验采用收发天线，用螺旋抛物面天线在一个频带内发送两路信号，用接收天线成功地接收到了信号，实验验证了OAM编码可以实现一个频带内多路信号的传输^[3-6]。OAM编码是利用不同模式的电磁波之间的正交性，以不同模式的电磁波作为信号载体，将多路信号分别调制到不同模式的电磁波上，在同一时间、同一频率段编码传输。在接收端通过滤波器和接收器，将涡旋电磁波正交分解，提取不同模式的电磁波。利用这一编码技术，能大幅度提高频带利用率。这种新技术的出现，将为无线通信技术的改革带来曙光^[7-12]。

OAM涡旋电磁波的波阵面并非传统的平面或球面，而是具有柱对称特性的涡旋状结构。在传播时，涡旋中心稳定，不会有衍射。涡旋波束的相位波前呈现螺旋状，使其波矢量具有方位项，其绕涡旋中心旋转，使得波束携带有转动角动量。涡旋电磁波由于其相位波前具有多种分布结构，因而具有多种OAM模式，当相位波前为均匀平面波前，此时的电磁波是普通的电磁波，称其为模式0。当涡旋电磁波的相位波前绕涡旋中心转动一周，相位改变2π，称为模式1；相位改变4π，称为模式2；相位改变6π，称为模式3^[13-15]。目前，产生OAM涡旋电磁波的方法有四种：相控阵列天线、透射反射面结构、透射螺旋结构和透射光栅结构, 其中相控阵列天线产生OAM涡旋电磁波的方法最方便，只需要通过射频开关调节阵列天线中每个阵元的馈电相位，就能够实现OAM多个模式间的转换。微带天线具有体积小、成本低、易于加工等优点，被广泛用于相控阵列天线中作为阵元天线。相控微带阵列天线是近些年来产生OAM涡旋电磁波的一种比较热门的方法^[16-18]。

微带天线的谐振特性会导致天线的工作带宽较窄。本文以微带天线宽频理论为基础，利用开槽技术，很好地解决了微带天线带宽较窄的问题，使天线工作在两个甚至是多个频率段，从而提高了频带利用率。设计了一种以半圆形开槽圆微带天线为单元的相控阵列天线，其能够在频率较高的波段，Ku波段和K波段产生涡旋电磁波。

1.   阵列天线结构设计

相较于矩形微带天线，圆微带天线有更好的对称性和抗耦合干扰性。因此，本文采用圆微带天线作为单元天线，其结构如图 1所示。采用八个单元天线绕圆心均匀排列组成阵列天线，如图 2所示。通过公式计算，且优化得到天线结构参数如表 1所示。单元天线结构由上到下分别为圆形贴片、同轴馈电线和导体贴片。同轴馈电线上表面与圆形贴片相连，下表面与导体贴片相连。表中：r为阵列天线各阵元中心到坐标原点的距离；r₁为圆形贴片的半径；r₂为同轴馈电线的半径，同轴馈电线采用PEC材质；r₃为导体贴片的半径；h为介质板基片厚度，介质板的介电常数为4.4，材质选用FR4；a为同轴馈电线轴心与圆形贴片圆心的距离；b为圆形贴片的半圆形开槽半径；w为正方形接地板边长。

图  1  阵元结构图

Figure  1.  Structure of antenna array element

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图  2  天线阵列结构图

Figure  2.  Structure of array antenna

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表  1  阵列天线设计参数

Table  1.  Parameters of array antenna

r/mm	r1/mm	r2/mm	r3/mm	h/mm	a/mm	b/mm	w/mm
11.88	4.0	0.3	0.5	1.0	2.05	1.5	35.8

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使用三维电磁场仿真软件HFSS对图 2所示的阵列天线进行仿真，得到天线主要性能参数如图 3所示。阵列天线在中心频率为17.1 GHz和19.2 GHz时，回波损耗分别为-22 dB和-23 dB，电压驻波比均小于1.5，达到了阻抗匹配要求。带宽占比大于5%，天线性能符合要求。

图  3  阵列天线主要性能参数

Figure  3.  Main performance parameters of array antenna

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2.   仿真结果及分析

阵列天线的阵元以等相位馈电，每个阵元的馈电相位顺时针或者逆时针依次设置 $\varphi_m=\frac{2 \pi m l}{N}$(φ_m为阵元的馈电相位，N为阵元个数，m为第m个阵元，l为OAM涡旋波的辐射模式)。本文设计的阵列天线阵元采用8阵元，为了实现同一阵列天线在不同模态之间的切换，通过射频开关对阵列天线中八个阵元依次通电，阵元间馈电相位依次增加或者减少，不同的馈电相位能产生不同的OAM模式。l=0，1，2，3模式所对应的相位延时分别为0°，45°，90°，135°。使用HFSS仿真软件分别设置中心频率为17.1 GHz，中心频率为19.7 GHz，在16~18 GHz，19~21 GHz的两个频率范围进行仿真，避免两种频率间相互干扰。

图 4和图 5为中心频率在19.7 GHz时，模式l=0，1，2，3的OAM电场辐射图和方向角ϕ=0°的E面方向、方向角ϕ=90°的H面方向的天线增益变化图。图 6和图 7为中心频率在17.1 GHz时，模式l=0，1，2，3的OAM电场辐射图和方向角ϕ=0°的E面方向、方向角ϕ=90°的H面方向的天线增益变化图。OAM波束的最显著特征是其电场具有涡旋相位结构。l=0时，电磁波能量辐射方向与阵列天线垂直，此时的电磁波不具有涡旋相位波前，电磁波是平面波。电磁波能量分布在中心轴上并且沿着中心轴向外辐射，如图 4中l=0所示实心部分。l=1时，阵列天线轴线方向上产生中空波束，并且周围能量辐射呈旋涡状绕中空分布，这是由于阵列天线的相邻阵元之间的相位存在等相位差，使得电磁波波束携带有轨道角动量形成涡旋相位波前。如图 4和图 5所示，随着OAM模式的增大，涡旋电磁波波束中空区域面积增大，电磁波相位波前结构的螺旋性能变差，电磁波能量越来越分散，尤其是当l=3，涡旋电磁波束中空区域面积达到了最大，方向性减弱，天线增益减小。中心频率为19.7 GHz时的电磁波能量比17.1 GHz更集中，相位波前的螺旋结构更好。中心频率为17.1 GHz时，模式l=3电场的辐射能量涡旋性能减弱，螺旋相位波前失真，这是因为开槽使得微带天线的结构发生了改变，因而阵列天线的阵元不完全对称，各阵元之间的耦合干扰引起了天线方向增益的变化和涡旋电磁波的相位波前结构的改变。值得注意的是，涡旋电磁波的能量是绕中心轴呈涡旋状分布，中心轴上的能量为零。随着模式的增加，能量越来越分散，中空部分也越来越大。因此，在信号的接收端，必须考虑到模式的不同，涡旋电磁波的辐射方式和辐射范围的变化，检测信号的区域也应该随之变化。根据经典电磁理论，波束传输距离的变化不会改变涡旋电磁波相位结构，因此，涡旋电磁波理论上具有旋转性和完全对称性，即在ϕ=0°时，天线的方向性应该完全对称，这在图 5和图 7的仿真结果中有所体现。

图  4  中心频率为19.7 GHz，不同OAM模式的电场辐射图

Figure  4.  E-field radiation pattern of different OAM modes at 19.7 GHz center frequency

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图  5  中心频率为19.7 GHz，不同OAM模式天线增益图

Figure  5.  Antenna gain of different OAM modes at 19.7 GHz center frequency

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图  6  中心频率为17.1 GHz，不同OAM模式的电场辐射图

Figure  6.  E-field radiation pattern of different OAM modes at 17.1 GHz center frequency

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图  7  中心频率为17.1 GHz，不同OAM模式天线增益图

Figure  7.  Antenna gain of different OAM modes at 17.1 GHz center frequency

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阵列天线所产生的OAM波的模式并非无限的，阵列天线的阵元数决定了OAM的模式的最大值。阵元数为N的阵列天线所能产生的OAM模式的最大值l_max可以通过公式－N/2 < l_max < +N/2计算得出，例如八阵元阵列天线所产生的OAM模式l_max的最大值为3。OAM模式越接近极限值，涡旋电磁波的波束分布越不规则。

3.   结论

本文设计了一种新型圆微带阵列天线，该阵列天线实现了在两个波段同时产生携带有轨道角动量的电磁波。OAM编码是根据涡旋电磁波不同模式(模态)正交特性在同一频段利用不同模式(模态)编码来提高系统容量，其本质是态分复用，本文设计的圆微带阵列天线目的是产生能工作在两个波段的涡旋电磁波，在两个波段内皆能利用涡旋电磁波的模式进行编码。该阵列天线既有效地拓展了天线的带宽，又通过改变阵元的相位馈电，产生多种模式的涡旋电磁波。涡旋电磁波独特的多模式辐射方式，势必会使OAM编码技术成为将来无线通信领域的研究热点。微带阵列天线结构简单，产生OAM的方式方便，具有广阔的发展前景。目前，以阵列天线产生OAM的方式还处于理论仿真实验探索阶段，多模态的OAM微带阵列天线的增益、带宽、方向性等性能指标相互影响，如何设计出多模式、高增益、多频段的微带天线，以及如何解决实际条件下，阵列天线的发射接收等诸多问题，将会成为以后的研究趋势，值得我们共同努力，不断探索。