基于透射超表面加载圆阵的双波束涡旋波天线北大核心CSCD

为了提高通信系统的信道容量和频谱效率，本文提出了一种工作在X波段的透射超表面加载的八单元的均匀圆阵(UCA)双波束轨道角动量(OAM)天线，超表面分为三层结构，分别中间的金属层和上下的正交金属栅层，中间层将馈源辐射的y轴线极化入射的+1模态的涡旋电磁波转换为x轴线极化的出射的+1模态涡旋电磁波，同时基于相位叠加原理构成双波束超表面，将入射波分为两个不同方向(30°,0°)和(30°,180°)的出射波，并且出射涡旋电磁波相对于入射涡旋电磁波发散角降低了9°。该研究有望为基于多波束的轨道角动量复用和大通信容量的天线设计提供一种新的思路。     

1-bit模态可重构涡旋电磁波天线研究

针对大多数天线无法实现轨道角动量(Orbital Angular Momentum, OAM)的任意生成和切换的问题,设计并分析了一种基于1-bit可编程超表面,探讨了其在涡旋电磁波的模态可重构方面的应用。基于1-bit相位量化原理,设计了一款极性转化单元,实现入射x极化波反射y极化波。理论分析了涡旋电磁波的辐射及可重构模态性能,并对设计的可编程超表面进行仿真验证。由15×15个单元组成的1-bit反射可编程超表面在11.5～13.5 GHz(16.0%)工作带宽内生成了携带模态l为0,±1,±2的涡旋电磁波,验证了模态可重构性。平面电磁波和涡旋电磁波既可以生成,又可以相互转换,为将来实现具有实时动态控制功能的OAM光束奠定了基础,在无线通信系统中具有良好的应用前景。     

多波束涡旋电磁波反射阵天线设计

针对传统反射阵天线产生涡旋电磁波存在方向单一、轨道角动量(Orbital Angular Momentum, OAM)模态单一的问题,设计了一款多波束涡旋电磁波反射阵天线。提出了一款基于旋转单元法的新型宽带圆极化单元,并利用口径场叠加法,获得了单个馈源产生多个涡旋波束的反射阵阵面补偿相位。仿真结果表明,该天线在26.5～32 GHz生成了2个携带模态-1和+1的涡旋波束,OAM带宽和3 dB增益带宽均为18.3%。在工作带宽内,最大增益为18.3 dBic,口径利用效率为10.31%。     

宽频多模态涡旋电磁波超表面设计

针对超表面产生OAM(轨道角动量)涡旋电磁波模态单一的问题,提出了一种宽频带多波束多模态OAM波束超表面的设计方法。采用方形开口环结构,优化几何参数,通过开口尺寸的变化构建8个3-bit 数字编码单元。利用矢量叠加原理,由产生单一模态OAM波束所需的相移得到多模态涡旋波束的超表面相位分布。采用天线阵列理论可直接求得超表面的远场方向图,并与全波仿真结果进行对比。研究结果表明,利用该方法设计的超表面,能够同时生成多个OAM波束,并且每个波束的辐射方向和OAM 模态可根据实际需求进行设定。设计的超表面还具有电尺寸小、剖面低和工作频带宽等优点,在无线通信领域具有广泛的应用前景。     

基于八分之一圆环贴片的三频微带天线设计

利用微带圆环天线优良的多模特性,设计了一种基于八分之一圆环的微带天线。天线由1个八分之一(45°)的圆环,1条位于天线中心区域的窄缝和1排靠近天线边缘的短路钉组成。这些附加在天线上的缝隙和短路钉起到了激发环形微带天线多模特性的作用,并进一步减小了天线尺寸。本文研究了这些附加结构对环天线的影响,并经过仿真、优化获得了具有3个频点的微带天线。天线的实测结果表明,该天线可以很好地工作在0.9 GHz,1.8 GHz和2.4 GHz,增益分别达到了4 dBi,5 dBi,6 dBi,工作带宽分别为7 MHz,12 MHz和20 MHz。     

基于圆形阵列的OAM波束产生系统设计与实现

针对目前轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)波束发生器模态单一、设计复杂等问题,设计并实现了一种在X频段内产生可调OAM波束的均匀圆形阵列天线。天线为半径60 mm 的圆盘,由8个阵元组成,阵元采用微带天线设计,同轴馈电,在中心频率处回波损耗达-51.5 dB ,S 11 < -10 dB 的工作带宽为9.6~10.5 GHz 。仿真和实测结果表明,天线可通过调节相位产生7种不同模态的涡旋电磁波,产生OAM为+1的涡旋电磁波纯度可达90%。通过误差分析发现,低模态数的涡旋电磁波对幅度和相位误差具有很好的抗干扰能力,这为利用涡旋电磁波实现目标探测和提高信道容量奠定了基础。     

涡旋电磁波无线通信技术发展综述

由于携带轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM),涡旋电磁波具有螺旋相位结构以及不同模态相互正交的空间性质,因此将其应用于无线通信技术领域以提升频谱利用率以及通信容量受到学界关注。介绍了涡旋电磁波的结构以及特殊性质,总结了近几年国内外涡旋电磁波在天线技术的进展并对比了各类天线性能,分析了涡旋电磁波在多输入多输出、复杂环境传输以及模态混叠检测领域的不足与发展态势,指出了未来基于涡旋电磁波无线通信发展的方向以及挑战。     

涡旋电磁波天线技术研究进展

涡旋电磁波,因携带有轨道角动量(OAM),从而体现出除了传统的强度、相位、频率、极化等自由度之外的一种新型自由度,理论上在任意频率下都具有无穷多种互不干扰的正交模态,并且近年来其在雷达成像、无线通信等研究领域展现出重要的应用潜力,所以引起国内外学者的广泛关注,具有很高的研究价值和应用前景。在这里,该文主要介绍近年来涡旋电磁波天线技术的研究进展,包括单一微带贴片天线、阵列天线、行波天线、以及超表面天线结构等。单一微带贴片天线由于其结构简单、制作成本低而被广泛运用;行波天线可以在宽带范围内产生多OAM模式的涡旋电磁波;阵列天线的设计原理简单,可以灵活地控制产生不同模态的高增益OAM电磁波;而超表面天线不需要复杂的馈电网络,从而具有天线整体剖面较低的优势。该文对这4种常见的涡旋电磁波天线进行了总结,并展望了未来的发展趋势。      

一种毫米波双频共口径波束扫描阵列天线

本文提出了一种应用于卫星通信系统的高增益，宽扫描角度的毫米波双频共口径波束扫描阵列天线。该阵列天线由八个连续横向切向节（CTS,Continuous Transverse Stub）辐射枝节，平行板波导（PPW,Parallel Plate Waveguide）功分馈电网络以及一种高性能双工器组成。基于CTS技术来设计全并馈的宽频带，高增益辐射结构;一种高性能双工器用于支持阵列天线双频共口径工作。由HFSS仿真结果表明，在20GHz和30GHz时天线最大增益分别超过25.2dBi和28.4dBi，并且在增益掉落3dBi内，该天线在20GHz和30GHz均能实现H面±40°的宽角度扫描。     

一种用于笔记本电脑的双频段八天线系统

提出了一种应用于笔记本电脑的双频段八天线系统.该八天线系统由一个四天线系统、两个双天线系统和两个T形谐振带构成.在分析了四天线系统和两个双天线系统的耦合机理后,提出了减小耦合的方法.实测结果表明:天线样品在2.4-GHz无线局域网(Wireless Local Area Network,WLAN)频段的-10 dB公共阻抗带宽为90 MHz(2.4～2.49 GHz),在5.2/5.8-GHz WLAN频段的-10 dB公共带宽为0.9 GHz(5.15～6.05 GHz),其中在5.15～5.19 GHz频段内的反射系数为-9.5～-10dB;八个天线单元在2.4/5.2/5.8-GHz WLAN频段内的互耦均低于-15 dB;在2.4-GHz和5.2/5.8-GHz WLAN频段内的增益分别高于2.7 dBi和3.3 dBi、效率分别高于53％和65％.根据实测三维辐射方向图计算了八天线系统的包络相关系数.     

涡旋电磁波轨道角动量模态抗干扰性能分析

The electromagnetic vortex wave has demonstrated excellent research value with potential applications in the fields of wireless communication and radar detection and imaging due to its unusual electromagnetic field distribution and theoretically infinite orthogonal Orbital Angular Momentum (OAM) modes. This study analyzes the anti-interference performance of OAM modes in the electromagnetic vortex Radio Frequency (RF) transceiver link primarily from the perspective of the electromagnetic vortex field distributions in space and the OAM modes orthogonality. Planar antenna arrays are designed to generate the electromagnetic vortex beams with respective OAM modes of and in the C band, and the corresponding RF transceiver links are established. The OAM modes’ anti-interference properties under different interference situations are analyzed in the electromagnetic vortex RF transceiver link by using a horn antenna as the interference source. Meanwhile, the corresponding OAM mode spectrum and the OAM modes’ orthogonality are employed as the primary methods in our analysis. Finally, the designed antenna models are fabricated, and the electromagnetic vortex RF transceiver links are measured. The corresponding analyses and conclusions are presented in this study. The OAM modes’ anti-interference performance analysis in the vortex electromagnetic wave’s RF transceiver link can provide a reference for exploring and designing a vortex electromagnetic wave in wireless communication and radar detection and imaging research.      

一种适用于LTE和Sub-6 GHz频段的宽带双极化基站天线

提出了一种适用于LTE和Sub-6 GHz频段的紧凑型双极化基站天线辐射单元,辐射振子臂采用1.2 mm板厚的FR4基板双层印制工艺。利用在双极化辐射单元上方加载寄生单元的方式来扩展天线工作频带。实物测试结果显示天线工作频段可连续覆盖LTE(1.8 GHz^2.7 GHz)和5G的Sub-6 GHz频段(3.3 GHz^3.7 GHz),带内电压驻波比小于1.8,隔离度大于20 dB。天线最高增益为9.42 dBi,半功率波束宽度为60°±9°。测试和仿真结果吻合较好。可应用于4G和5G移动通信基站。     

Optimized planar printed UCA configurations for OAM waves and the associated OAM mode content at the receiver

Utilization of planar printed uniform circular antenna arrays (UCA) to generate the orbital angular momentum (OAM) carrying waves in the millimeter-wave (mmWave) frequency band is advantageous from the viewpoints of easy signal modulation and mode reconfiguration, low cost, low profile, and straightforward integration with the existing broadband wireless infrastructure. The OAM mmWave UCA are highly promising as the enablers of very high transmission data rates required by hybrid 5G/6G optical and wireless communication systems by complementing and enhancing other technologies currently in use. Therefore, we here contribute a detailed electromagnetic analysis of important constraints of such antenna arrangements aimed at short-range multimode OAM wave transmission. We investigate (i) the required antenna array dimensions and optimized UCA arrangements for a particular link range and (ii) the corresponding mode structure of OAM waves in the plane of receiving arrays. Four relatively simple antenna configurations operating in the 60-GHz band are compared. Theoretical assumptions based on ideal OAM modes are critically assessed and, using state-of-the-art numerical electromagnetic analysis, compared to realistically generated OAM waves. The proposed “cyclic transmission setup” resulted in much lower unwanted field components in the region of receiving arrays. RMS magnitudes of unwanted modes are on average about 64% of the received mode, in comparison with 80% (up to 94%) for sequential transmission. The observed mode impurities and mode mixing effects at the receiver indicate the need to dedicate more attention to the system-level design, the development of efficient receiving arrays, the MIMO processing, and the stream separation.     

应用PO-AI方法分析加罩OAM天线的辐射特性

应用物理光学-口面积分（PO-AI）方法,数值分析加载天线罩的轨道角动量（OAM）波天线的辐射特性,评判介质天线罩对各阶模式OAM波的辐射特性、幅相分布以及模式纯度的影响程度。通过与现有文献中天线罩实例的测试值相对比,验证了算法的正确性和有效性;考察了开口波导环形阵列OAM波天线工作于不同的模式阶数时,半球形天线罩所引起的空间场幅-相分布的变化。在此基础上,计算了一个正切卵形、多层介质天线罩情况,验证了PO-AI 算法对复杂结构的适应性。从数值结果可见,天线罩对高阶OAM辐射波的幅值分布影响较大。数值计算也证实该算法可以快速预估介质罩存在时OAM波形的畸变程度,有助于实现对天线罩各参数的快速优化。     

模态波束双可重构OAM发生器的研究

针对圆环形阵列天线产生轨道角动量(orbital angular momentum, OAM)涡旋波的技术, 提出了宽带圆极化单臂螺旋天线(single-arm spiral antenna, SASA)构成的机械可重构圆环形阵列天线, 并深入研究了OAM涡旋波的模态检测和收发情况.利用SASA的相位特性, 调控各阵元绕自身轴线的旋转角度, 可灵活控制OAM涡旋波的主波束辐射方向.该设计可实现OAM模态和涡旋波辐射方向双可重构调控特性, 并根据SASA的旋转角方向实现左旋圆极化或右旋圆极化OAM涡旋波.实验加工并测试了该可重构圆环形OAM阵列天线, 验证了该思想和方法的正确性和有效性.     

一种双模式短波对数周期天线设计

为了适应电离层传播特性,使短波天线更好地与电离层环境匹配,进行大纵深覆盖,设计了一种双模式短波对数周期天线.天线在垂直方向上由两层水平极化对数周期天线构成,通过同相和反相两种激励模式,使得天线能够同时形成低仰角辐射和高仰角辐射.理论仿真和实际测试表明:双模式短波对数周期天线在6～30 MHz频带内,两种模式的电压驻波比...     

开放式套筒单极子手持天线的设计与验证

设计了一种阶梯结构、集总加载的辐射体、双弧形金属片围成半管状的开放式结构为套筒的开放式套筒单极子天线,天线具有良好的驻波比带宽.电磁仿真结果表明:在400~700 MHz的频带内,天线驻波比均优于2,天线在水平方向的增益均值高于0 dBi.实验测试结果与仿真结果具有良好的一致性,证明天线具有较好的辐射性能.