基于半模基片集成波导的轨道角动量模式复用天线陈弋凌.pdf

² 409² 基 于 半模基片集成波导的轨道角动量模式复用天线 陈弋凌 郑史烈 池 灏 金晓峰 章献民 (浙江大学信息与电子工程学系 ，杭州 310027) chenyiling@ 摘 要 ： 本文设计了一种基于半模基片集成波导（ HM-SIW）的平面漏波天线以用于高阶轨道角动量（ OAM）模式复用天线的设计建立在 90°馈电的环形谐振腔基础上文章首先分析了谐振腔的原理和模式，并利用该谐振腔产生和辐射无线频段的 OAM 波束本文采用 HFSS 仿真设计分析了 10GHz 的 HM-SIW 平面漏波天线实现了 多个 OAM 模式的复用 关键词 ： 轨道角动量，半模基片集成波导，平面漏波天线 Orbital Angular Momentum Mode Multiplexing with Half-Mode Substrate Integrated Waveguide Antenna Chen Yiling, Zheng Shilie, Chi Hao, Jin Xiaofeng, Zhang Xianmin (Department of Information and Electronic Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027) Abstract: A compact half-mode substrate integrated waveguide (HM-SIW) leaky-wave antenna (LWA) of different high-order orbital angular momentum (OAM) modes is presented in this paper in order to multiplex multiple beams. The LWA is based on a cavity resonator with two feeds of 90°phase difference. The principle and mode analysis of the resonator is discussed, which give solutions to generating OAM beams of high-order modes on planar antenna at radio domain. The model is designed and simulated using full-wave analysis software. Keywords: orbital angular momentum; half-mode substrate integrated waveguide; planar antenna 1 引言  近年来，轨道角动量（ OAM）的研究引起了广泛的兴趣，在光通信方面 [1, 2]已经做了大量的研究工作。

而在无线频段，利用赋形抛物面天线或者旋转相位板产生 OAM 波束的方式 [3, 4]相对复杂， 成本较高而无法推广和大量应用，其中关键的 OAM 模式复用也难以通过这几种波束产生方式实现为了达到提升通信容量和频谱效率的目的，本文提出了可以复用多个 OAM 模式的环形谐振腔结构，并分析了这种谐振腔的模式利用近来迅速发展的基片集成波导（ SIW）和半模基片集成波导（ HMSIW）技术 [5, 6]将提出的谐振腔在平面结构上实现，从而将OAM 波束的发射小型化，集成化如图 1 所示，基金项目： 国家重点基础研究发展计划（ 2014CB340005） SIW 是在微波毫米波基底介质上，通过上下金属层和周期金属通孔形成的平面导波结构，具有体积小，重量轻，易于加工和集成等优点 HM-SIW 则是在 SIW 基础上更为紧凑的结构利用 HM-SIW的特点设计包含多个谐振腔的漏波天线复用 OAM波束，将提出的设计模型通过 HFSS 软件仿真和优化得到能够辐射 OAM 波束的平面天线 图 1 基片集成波导和半模基片集成波导结构 ² 410² 2 模式分析 在圆形的谐振腔中的 OAM 模式可以分解为两种本征模的叠加，通过对波方程的求解，谐振腔中TMln模式的分量 Ez可以表示为 lnln c o s ( )() s i n ( ) zj k zzl luE A J ela    上式中 A 是常数， a 是圆腔半径， kz 是传播常数， uln 是第一类 l 阶贝塞尔函数 Jl(x)的第 n 个根。

对于 l 阶 OAM 模， 其电场分量 可以通过 TM 模的合并 TMln1+i*TMln2写成 lnln () zjk zjlzl uE E J e ea   而在同轴环形谐振腔中， TMln 模式的 场 分量 Ez表示为  12( ) ( ) zj k z j lz l t l tE C J k C Y k e   Jl(x)和 Yl(x)分别是第一类和第二类 l 阶贝塞尔函数根据边界条件可以得到 OAM 模在同轴环形谐振腔中的电场分量表达式 () ( ) ( )() zj k z j llz l llYE C J Y eJ a a      其中 a 和 b 是同轴环形谐振腔的内径和外径，C 为幅度常数，  = kta 为函数 Fl()的第 n 个根，Fl()可写为 ( ) ( ) ( ) ( ) ( )l l l l lF J Y J b Y baa   由上述分析，可以得到圆形和环形谐振腔中的OAM 模的场分量图 2 所示为 OAM 模式 l = 5 在两种谐振腔中的场分量示意图 图 2 l = 5 OAM 模式在两种谐振腔中的场分布 3 仿真设计和结果 基于对谐振腔的模式分析，在谐振腔中激励出OAM 模式需要两个幅度相同，相差 90°的馈电点。

根据正负不同的激励点相位差可以得到正负不同的 OAM 模式为了利用 OAM 不同模式相互正交的特性，复用多个 OAM 模式提升通信容量，可以通过叠加多个不同模式的谐振腔的方式实现 本文提出的谐振腔模型基于 HM-SIW 结构，由基底介质上的金属贴片和一圈金属通孔构成相比SIW 结构， HM-SIW 缩减了近一半的尺寸，同时继承了 SIW 的优点 HM-SIW 切面可近似为磁壁，金属通孔阵列可视为电壁边界，能够维持导波结构并进一步减小体积，这里采用 HM-SIW 结构作为谐振腔的同时作为漏波天线辐射出高阶 OAM 波束 我们采用全波仿真软件 Ansoft HFSS 建模并优化设计了提出的基于 HM-SIW 的平面漏波天线，工作频率位于 10GHz，如图 3 所示中间的圆形金属贴片和外圈的环形贴片构成两个不同尺寸谐振腔，叠加在同一块介质上，通过底部馈电激励出 l = 2 和l = 6 两种 OAM 模式每个谐振腔均由两点馈电，馈电点相差 90°，两点间角度 与 OAM 模式相关 ( 2 1 ) , 0 , 1 , 2. .. , 12k kll     这里的介质使用 Rogers RT5880，介电常数2.2，分上层谐振腔层和下 层馈电层，厚度分别为1.575mm 和 0.508mm，上层 HM-SIW 的金属通孔直径 0.8mm， l = 2 的谐振腔圆形贴片半径 rl2 = 9.48 mm， l = 6 的谐振腔圆形贴片半径 rl6 = 23.28 mm，间隔 g = 1 mm，馈电金属柱之间角度 1 = 135°， 2 = 165°，不同的馈电点半径分别是 r1 = 5mm， r2 = 18.5 mm。

图 3 设计的平面漏波天线示意图 图 4 给出了仿真得到的两个谐振腔各自反射系数，在 10GHz 左右的反射系数均低于 -10dB，可以看出 l = 2 的 OAM 波束谐振腔带宽相较 l = 6 的带宽更宽，可以实现多个不同阶 OAM 波束的模式复用，本文的设计总共可以复用 l = 2, 6 的四个OAM 模式复用情况下的场分布如图 5 所示，即两个谐振腔同时工作的场分布中间为 l = 2，外圈为 l = 6 的 OAM 模，通过这种叠加方式可以同时产生不同 l 值的 OAM 波束 ² 411² 仿真得到的天线方向图如图 6 所示，分别是单个 OAM 模式 l = 2 和 l = 6 以及两者复用情况下的方向图，可以看出在传播方向上的中心凹陷，也就是 OAM 波束的中心奇点 图 4 两个谐振腔反射系数的仿真结果 图 5 模式复用的谐振腔内场分布图 图 6 单模式和模式复用方向图的仿真结果 4 结论 本文先分析了能够 产生高阶 OAM 模式的谐振腔的原理和模式，并设计 优化 了基于 HM-SIW 结构的 平面漏波天线，在 10GHz 复用多个 OAM 模式，在平面电路上实现了无线频段 OAM 模式复用。

参考文献 [1] G. Gibson, J. Courtial, M. J. Padgett, M. Vasnetsov, V. Pasko, S. M.Barnett, and S. Franke-Arnold, ―Free-space information transfer using light beams carrying orbital angular momentum,‖ Opt. Express, vol.12, no.25, pp. 5448-5456, Nov. 2004. [2] J. Wang, J. Y. Yang, M. Fazal, N. Ahmed, Y. Yan, H, Huang, Y.X. Ren, Y. Yue, S. Dolinar, M. Tur, and A. E. Willner, ―Terabit free space data transmission employing orbital angular momentum multiplexing,‖ Nature Photonics, vol.6, pp 488-496, Jun. 2012. [3] F. Tamburini, E. Mari, A. Sponselli, B. Thide, A. Bianchini, and F. Romanato, ― Encoding many channels on the same frequency through radio vorticity: first experimental test,‖ New J. Phys., vol.14, pp. 033001, Mar. 2012. [4] Yan, Y., et al. ―High-capacity millimetre-wave communications with orbital angular momentum multiplexing,‖ Nature Communication, vol.5, pp 4876, Sep. 2014. [5] B. Liu, W. Hong, Y. Q. Wang, Q. H. Lai, and K.Wu, ―Half mode substrateintegrated waveguide (HMSIW) 3-dB coupler,‖ IEEE Microw. Wireless Comput. Lett., vol. 17, no. 1, pp. 22–24, Jan. 2007. [6] J. Xu, W. Hong, H. Tang, Z. Kuai, and K. Wu, "Half-mode substrate integrated waveguide (。