一种新的轨道角动量天线设计

随着射频通信技术的发展，这些年来，科研人员在无线通信领域取得了很多的突破，射频技术在里面大放异彩。无线通信主要建立在平面电磁波上，已充分利用时域、频域、码域、空域和极化域这些复用维度来提高频谱效率。为了获得更高的频谱效率，业界在不断尝试从电磁波的物理特性入手来实现信息传输方式的突破，比如轨道角动量技术。近年来，轨道角动量一直是无线通信领域的研究热点。

今天就给大家分享一个将轨道角动量与毫米波技术相结合的基于介质谐振器的轨道角动量天线设计，非常具有实用性。这个设计建立了天线的等效模型，推导了其辐射场的理论表达，讨论了介质谐振器半径对涡旋波电磁波模态的影响，通过仿真结果表明，该天线在波段有四个谐振点，能够分别产生模态的涡旋电磁波。此外，该天线结构紧凑，成本低，增益良好，具有较高的天线效率，产生的各个模态的涡旋电磁波都具有良好的旋转性，能够获得较强的抗干扰能力，为轨道角动量在毫米波频段的应用提供了一定的现实意义。

天线设计

该天线设计了一种介质谐振器天线，天线结构如图3所示，图3(a)是天线的三维结构图，可以看到该天线是由一个介质谐振器，一条微带线，一层介质基板和一个接地面构成，图3(b)是天线俯视图。

仿真结果分析

天线的S参数能够准确反映电磁波传递过程种的反射情况。如图7所示是该天线的S参数仿真结果，可以看到，S参数有多次下降，表明这些频率的波耦合进了谐振器当中，但并不是所有都是OAM模式。在28GHz~36GHz之间，该天线产生了4个谐振点，能够产生的OAM模态。分别是：在29.6GHz处产生的OAM模态，在30.6GHz处产生的OAM模态，在32.2GHz处产生的OAM模态，在35.1GHz处产生的OAM模态。图8是该天线电压驻波比的仿真结果，可以看到在四个谐振点处的VSWR几乎达到1，在天线的工作频段28GHz~36GHz之间匹配良好。

由图9（左侧）可以看出，该天线生成的4种OAM波束，空间螺旋相位波前结构清晰可见，符合OAM涡旋电磁波的螺旋相位结构特征，并且相位没有产生畸变，说明该天线产生的OAM无线电波具有较好的抗干扰性。

图9（右侧）是OAM的４个模态在观测平面上的振幅分布的波前。

图10（左侧）分别为是不同模态下的3D远场辐射图，可以看出本文提出的OAM天线的增益在工作频率范围之内保持在6.47~8.18dBi，随着模态的增加，增益呈现下降趋势，说明工作频率越高，该天线收发信号的能力越弱。由OAM波束相位奇点引起的零强度区域存在于波的传输方向（z轴）上，使得远场辐射图出现中心上方下凹，在轴线方向上出现波束中空的现象， 符合涡旋电磁波中心能量最低，边缘能量高的物理特性。图10（右侧）为二维辐射方向图（Phi=0deg），可以看出，所有主瓣方向角都很大，有利于电磁波的远距离传输。

如图11是天线的总效率，仿真结果表明，该天线在四个频点都具有较高的效率。在29.6GHz处的效率达到92.3%，在30.6GHz处的效率达到92.5%，在32.2GHz处的效率达到89%，在35.1GHz处的效率达到86.2%。此外，在天线的整个工作频段中，29.6GHz处的效率最高，达到92.5%，在29.2GHz处的效率最低，为70%。总体来说，该天线的总效率较高，在整个工作频段均达到70%以上。

本文所介绍的基于介质谐振器的轨道角动量天线价值非常高，它具有较高的天线效率和较强的抗干扰能力，为轨道角动量在毫米波频段的应用提供了一定的现实意义，同时能在多个领域投入使用，稳定性极高，也为轨道角动量在天线技术领域的应用拓展了视野，打开了新的思路。

审核编辑：汤梓红