I隨著5G萬(wàn)物互聯(lián)互通時(shí)代的到來(lái)，信息爆發(fā)性增長(zhǎng)，對(duì)通信速率和信道容譜資源也日益緊張。而軌道角動(dòng)量（OrbitalAngularMomentum，OAM）因其具有正交特性，為解決通信領(lǐng)域的迫切問(wèn)題提供了新的解決方法。而共形貼片陣列OAM天線作為一種新型的天線設(shè)計(jì)，它將共形貼片陣列技術(shù)和OAM波束賦形技術(shù)相結(jié)合，具有廣泛的應(yīng)用前景。本文旨在解決5G車載通信系統(tǒng)中天線設(shè)計(jì)了全面評(píng)估。述了共形OAM渦旋電磁波陣列天線的設(shè)計(jì)原理，并通過(guò)仿真軟件HFSS設(shè)計(jì)了波的應(yīng)用提供了參考依據(jù)。此外，還確定了天線的工作頻率為5.9GHz，以使其適應(yīng)車載通信系統(tǒng)的需求。關(guān)鍵詞：軌道角動(dòng)量；共形天線；同軸微帶貼片天線；軟件仿真IIAbstractWiththearrivalofthe5Geraofinterconnectionandinteroperabilityofeverything,theexplosivegrowthofinformationputsforwardahigherdemandforcommunicationrateandchannelcapacity,whichrequireslowerlatency,higherspeed,andlargervolumeofinformationtransmission,whilethespectrumresourcesareincreasinglytight.AndOrbitalAngularMomentum(OAM)providesanewsolutiontosolvetheurgentprob-lemsinthecommunication?eldbecauseofitsorthogonalcharacteristics.Andasanewantennadesign,theConformalPatchArrayOAMantenna,whichcombinestheCon-formalPatchArraytechnologyandOAMbeamfoulingtechnology,hasawiderangeofapplicationprospects.Thispaperaimstoaddressthechallengesofantennadesignin5Gvehicularcommunicationsystems,andproposesadesignschemeforOAMantennabasedonconformalpatcharray,andcomprehensivelyevaluatesitsperformance.Insummary,thispaperproposesasolutiontoimprovespectrumutilizationusingOAM,elaboratesthedesignprincipleoftheconformalOAMvortexelectromagneticwavearrayantenna,anddesignsamicrostriparrayantennawithexcellentperformancethroughsimulationsoftware,withspecialemphasisontheconformalcharacteristicsoftheantenna,whichprovidesareferencebasisfortheapplicationoftheconformalOAMvortexelectromagneticwave.Inaddition,theoperatingfrequencyoftheantennaisdeterminedtobe5.9GHzinordertoadaptittotheneedsofthevehiclecommunicationsystem.Keywords:Orbitalangularmomentum;Conformalantenna;Coaxialmicrostrippatchantenna;SoftwaresimulationI摘要 IAbstract II 1.1研究背景和意義 1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 21.2.1OAM的研究現(xiàn)狀 21.2.2共形天線的研究現(xiàn)狀 31.2.3共形OAM陣列天線的研究現(xiàn)狀 31.2.45G車載共形天線的研究現(xiàn)狀 41.3本文的主要工作及結(jié)構(gòu)安排 41.4本章小結(jié) 52共形OAM基礎(chǔ)理論 62.1軌道角動(dòng)量基本原理 62.2渦旋電磁波的產(chǎn)生方法 72.3共形天線的理論分析 92.4本章小結(jié) 93共形OAM天線設(shè)計(jì)原理 3.1矩形微帶貼片天線單元設(shè)計(jì)相關(guān)理論 3.1.1矩形微帶貼片天線簡(jiǎn)介 3.1.2矩形微帶天線的參數(shù)計(jì)算 3.1.3微帶貼片天線的饋電方式 II3.2OAM陣列天線設(shè)計(jì)相關(guān)原理 3.3共形OAM陣列天線設(shè)計(jì)原理 3.4本章小結(jié) 4共形OAM天線仿真及分析 4.1HFSS仿真軟件介紹 4.2天線單元仿真設(shè)計(jì) 4.2.1天線單元設(shè)計(jì)流程及參數(shù)設(shè)計(jì) 4.2.2天線單元仿真及分析 4.2.3圓形貼片單元對(duì)比 4.3陣列天線設(shè)計(jì) 4.3.1陣列天線設(shè)計(jì)流程 4.3.2陣列天線仿真設(shè)計(jì) 4.3.3天線陣列仿真及分析 4.4共形OAM陣列及天線單元設(shè)計(jì)及分析 224.4.1共形OAM陣列天線仿真設(shè)計(jì) 224.4.2共形OAM陣列仿真及分析 224.5本章小結(jié) 255總結(jié)與展望 265.1總結(jié) 265.2研究展望 26參考文獻(xiàn) 28致謝 11.1研究背景和意義隨著5G技術(shù)的逐步引入，信息傳輸?shù)男枨蟪尸F(xiàn)出前所未有的爆炸式增長(zhǎng)，這促使通信速率以及信道容量的提升成為迫切需要發(fā)展的任務(wù)。通信的便捷為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了巨大的作用同時(shí)也對(duì)通訊系統(tǒng)也提出了新的需求，如移動(dòng)支付需要更安全可靠的傳輸、視頻通話需要更高的數(shù)據(jù)速率等[1]，傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)面臨著瓶頸，無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)傳輸求新的傳輸技術(shù)和天線設(shè)計(jì)，以提高通信性能和頻譜效率成為當(dāng)今火熱的課題。在此方面，軌道角動(dòng)量（OrbitalAngularMomentum，OAM）技術(shù)引起了廣泛的關(guān)注。OAM作為一種新型的傳輸方式，具有正交特性，可以提供無(wú)窮維的傳輸通道。這意味著不同的信道信息可以通過(guò)不同的模態(tài)渦旋波進(jìn)行傳輸，從而實(shí)現(xiàn)低串?dāng)_率和高容量的通信。由于其獨(dú)特的特性，OAM技術(shù)在無(wú)線通信、雷達(dá)成像、探測(cè)檢測(cè)等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。共形天線相較于平面天線具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。共形天線是將原有的平面天線與乎不占用載體的安裝空間，因而具有良好的靈活性和組裝性[2]。共形天線外觀美整潔、美觀的外觀設(shè)計(jì)。由于其天線輻射范圍相對(duì)受限，共形天線提高了通信質(zhì)量和可靠性，減少了對(duì)周圍環(huán)境的干擾，并通過(guò)考慮設(shè)備的幾何形狀和材料特線增益、輻射效率和頻率響應(yīng)等?？煽客ㄐ胚B接。然而，傳統(tǒng)的車載通信天線往往限制了通信系統(tǒng)的速率和容量。為了解決這個(gè)問(wèn)題，本文提出了5G車載共形貼片陣列OAM天線的設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)5G車載列OAM貼片陣天線具有多重優(yōu)勢(shì)。OAM天線利用多個(gè)相互行傳輸。這種多模式傳輸?shù)哪芰梢源蠓岣咄ㄐ畔到y(tǒng)的速率，使得車輛內(nèi)的各種應(yīng)用和設(shè)備能夠高效地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和信息傳輸。綜上所述，設(shè)計(jì)5G車載共形貼片陣列OAM天線具有重要的研究背景和意義。它可以提高通信速率和增加信道容量，滿足5G時(shí)代對(duì)通信性能和頻譜效率的要求。通過(guò)利用多模式傳輸能力，OAM天線可以在同一頻率上同時(shí)傳輸多個(gè)2貼片天線的設(shè)計(jì)可以緩解頻譜資源的短缺問(wèn)題，并為車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和車輛之間的高效通信提供創(chuàng)新解決方案和技術(shù)支持。這將推動(dòng)智能交通系統(tǒng)的發(fā)展，提升用對(duì)于推動(dòng)5G車載通信技術(shù)的發(fā)展具有重要意義，并有望在實(shí)際應(yīng)用中取得顯著1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀由于關(guān)于5G車載共形OAM的研究主要集中于OAM、共形天線以及5G車載天線，所以本文研究現(xiàn)狀分為OAM、共形天線、共形OAM以及車載天線四個(gè)部分進(jìn)行研究。1.2.1OAM的研究現(xiàn)狀近年來(lái)，為了有效應(yīng)對(duì)頻譜資源緊缺和無(wú)線通信需求不斷增長(zhǎng)的雙重挑戰(zhàn)，化為渦旋電磁波，利用不同模態(tài)之間的正交性，顯著提升了無(wú)線通信系統(tǒng)的容量。這一突破性進(jìn)展在學(xué)術(shù)界引起了廣泛的討論和研究。盡管OAM的存在早在理論上就得到證明，但直到21世紀(jì)初才首次在光波段取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。在1909年，Poynting根據(jù)理論預(yù)測(cè)提出了電磁場(chǎng)角動(dòng)量的力學(xué)效應(yīng)，并指出任何偏振狀態(tài)的轉(zhuǎn)換（如線學(xué)系統(tǒng)中的角動(dòng)量轉(zhuǎn)換[3]；隨后，Beth于1936年通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一理論[4]；進(jìn)一步的突破發(fā)生在1992年，L.Allen等人發(fā)現(xiàn)軌道角動(dòng)量是螺旋相位光束的固有屬性，即具有高斯振幅分布的光束中存在軌道角動(dòng)量[5]；在2004年，Gibson等人創(chuàng)新性地提出了通過(guò)利用光的不同模態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)信息的獨(dú)立編碼和信息傳輸，這一發(fā)現(xiàn)開(kāi)啟了光通信的新篇章[6]。隨著軌道角動(dòng)量技術(shù)在光通信領(lǐng)域的廣擴(kuò)展至射頻領(lǐng)域。在2007年，Thide等人提出了利用陣列天線構(gòu)建軌道角動(dòng)量波束的概念[7];隨后，在2012年，成功實(shí)現(xiàn)了在相同頻帶下傳輸具有不同軌道角動(dòng)在提升通信信道容量方面的可行性[8];進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，由陣列天線生成的軌道角動(dòng)量模式已經(jīng)可以有效地用于數(shù)據(jù)傳輸，這一結(jié)果由Allen于2014年通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到證實(shí)[9]。以上的研究表明基于OAM的復(fù)用技術(shù)來(lái)提高傳輸速率是可行動(dòng)量領(lǐng)域的探索起步相對(duì)較晚，然而科研人員已經(jīng)積極提出了多種創(chuàng)新性的軌道角動(dòng)量波束生成策略。國(guó)內(nèi)學(xué)者在探索軌道角動(dòng)量產(chǎn)生機(jī)制的過(guò)程中，還成功地將其應(yīng)用到了通信與成像等多個(gè)實(shí)際領(lǐng)域，并獲得了顯著的科研突破。31.2.2共形天線的研究現(xiàn)狀共形天線具有比平面天線更加優(yōu)秀的應(yīng)用場(chǎng)景而受到廣大研究學(xué)者的歡迎。共形天線需要天線與曲面載體結(jié)構(gòu)保持一致，所以具有良好的空氣動(dòng)力學(xué)性能，這就要求共形天線剖面低、輻射性能不易受曲面結(jié)構(gòu)的影響。由于共形天線的特殊性，常用來(lái)共形的天線一般包括微帶貼片天線和縫隙天線，且最早關(guān)于共形天線的研究就是共形縫隙天線研究[9]；微帶天線具備剖面低、易于和曲面共形且制造簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，直到60年代中期開(kāi)始受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究[10]；1983年C.Krowne通過(guò)理論分析并得出了圓柱曲率和貼片天線諧振頻率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系[11]；而后，國(guó)外對(duì)于柱面共形天線開(kāi)始一輪研究熱潮：公司設(shè)計(jì)出一種16×61個(gè)陣元的機(jī)載雙曲面柱面共形有源相控陣天線，并采用算法實(shí)現(xiàn)特定需求的接收波束，和降低干擾和旁瓣的功能[12]。在2002年，Steyskal等人進(jìn)行了機(jī)翼形狀設(shè)計(jì)的模擬研究，提出了一種共形微帶陣列天線，該天線采用了交錯(cuò)投影法，以滿足具有低副瓣水平的波束[13]；Vourch等人也在同一年基于圓錐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種共形天線，用于在X波段進(jìn)行低軌道衛(wèi)星通信的工作，通過(guò)控制圓貼片微帶天線單元的幅相實(shí)現(xiàn)波束掃描[13]；類似的研究還有2016年的JaeckV等人通過(guò)3D打印技術(shù)制作了圓柱共形的圓貼片微帶天線[14]；2013年，Alrabadi等人也開(kāi)展了圓形陣列的性能研究，不僅從微帶貼片理論上還通過(guò)實(shí)物測(cè)試，實(shí)現(xiàn)波束的切換覆蓋[15]。國(guó)國(guó)內(nèi)對(duì)共形天線的研究起步相對(duì)較晚，直到80年代才開(kāi)始涉足，并自那時(shí)起展現(xiàn)出顯著的加速發(fā)展態(tài)勢(shì)。2010年，西安電子科技大學(xué)的李文濤團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種半圓柱共形天線陣列，并通過(guò)優(yōu)化算法對(duì)天線的方向圖具有良好的性能[16]；2017年，夏雨龍等人利用微帶八木天線作為陣子組成圓柱共形陣列，通過(guò)信號(hào)輸入的不同幅度和相位實(shí)現(xiàn)全立體角波束掃描[17]。足特殊的通信需求。共形天線的研究起步晚但是發(fā)展迅速，大多采用的是縫隙天線和貼片天線并結(jié)合波束形成算法研究并取得了豐富的成果。但關(guān)于共形天線還有很多可以拓展的研究空間，比如與OAM或其他技術(shù)的結(jié)合。1.2.3共形OAM陣列天線的研究現(xiàn)狀猛發(fā)展，共形天線在諸如車載、機(jī)載、導(dǎo)彈等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用潛定的螺旋軌道角動(dòng)量波[18]；2020年，空軍工程大學(xué)的H.P.Li設(shè)計(jì)了一種基于超4表面的共形天線能夠產(chǎn)生具有OAM特性的電磁波束[19]。綜上，共形軌道角動(dòng)量貼片天線的研究前景廣闊。1.2.45G車載共形天線的研究現(xiàn)狀在傳統(tǒng)的車載天線中，按其外形主要可分為玻璃天線、鞭形天線和鯊鰭天線需求。隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，特別是5G的興起，車載通信系統(tǒng)需要覆蓋更廣泛的頻段，傳統(tǒng)天線設(shè)計(jì)無(wú)法滿足這種需求。同時(shí)傳統(tǒng)車載天線通常是單一功能的設(shè)計(jì)，難以實(shí)現(xiàn)多天線的集成。[20]到目前為止，汽車制造商普遍采用“鯊魚鰭”天線及分布在車輛周圍的各種其他天線。但在互聯(lián)網(wǎng)汽車日益普及的時(shí)代，此種布局對(duì)于設(shè)計(jì)師甚至用戶來(lái)說(shuō)已經(jīng)不夠用了。于是2018年，全球知名公司哈曼國(guó)際宣告研發(fā)一款創(chuàng)新的5G多下方，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的簡(jiǎn)潔和美觀外觀，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)功能。同年，華東交通大學(xué)劉凡團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款極具創(chuàng)新價(jià)值的新型車載共形多頻帶天線——五角星形狀的柔性四頻帶天線，并通過(guò)了布局優(yōu)化當(dāng)該天線被安置于車輛后風(fēng)窗區(qū)域時(shí)，其性能表現(xiàn)尤為契合車聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)的實(shí)際需求。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于5G車載共形貼片陣列OAM天線設(shè)計(jì)的研究較少，研究此課題對(duì)于提升車載通信性能、擴(kuò)展覆蓋范圍、支持多用戶通信、適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境，并推動(dòng)車聯(lián)網(wǎng)和智能交通的發(fā)展有著重要意義。1.3本文的主要工作及結(jié)構(gòu)安排本文針對(duì)目前頻譜資源相對(duì)緊張且通信系統(tǒng)面臨壓力的狀態(tài)下，基于OAM計(jì)的微帶貼片天線和共形陣列結(jié)構(gòu)天線都做了理論上分析并利用仿真軟件驗(yàn)證。文章一共六個(gè)章節(jié)，各章的主要內(nèi)容總結(jié)如下：第一章是全文的緒論。論文首先詳細(xì)探討了在5G車載通信中引入共形貼片陣列OAM天線設(shè)計(jì)的背景意義；最后在章節(jié)末對(duì)本文結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單的闡述。第二章探討了共形軌道角動(dòng)量的基礎(chǔ)理論。論文首先詳細(xì)闡述了軌道角動(dòng)點(diǎn)是圓形陣列天線的相關(guān)理論，緊接著介紹了共形天線為后續(xù)共形軌道角動(dòng)量陣列天線的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。第三章介紹了共形軌道角動(dòng)量天線的設(shè)計(jì)原理。首先，對(duì)矩形微帶貼片天線5紹了柱面共形貼片的相位補(bǔ)償和參數(shù)計(jì)算。第四章為共形OAM陣列貼片天線的仿真及分析。首先對(duì)HFSS仿真軟件做的S11、電場(chǎng)幅值和相位圖以及三維輻射圖。第五章綜合歸納了本文的研究成果，并對(duì)潛在的研究途徑進(jìn)行了展望和探1.4本章小結(jié)本章講述了共形OAM天線的相關(guān)研究提出的研究背景和意義，重點(diǎn)介紹了當(dāng)前關(guān)于軌道角動(dòng)量的研究歷史和生成軌道角動(dòng)量的重大意義；介紹了共形天線的研究現(xiàn)狀和該技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，隨后介紹了共形技術(shù)和軌道角動(dòng)量生成技術(shù)相結(jié)合的天線研究現(xiàn)狀。最后對(duì)論文的整體思路和章節(jié)結(jié)構(gòu)安排進(jìn)行介紹，并對(duì)各章節(jié)的主要研究?jī)?nèi)容進(jìn)行講述。62共形OAM基礎(chǔ)理論2.1軌道角動(dòng)量基本原理已知電磁波（EM）在輻射能量的同時(shí)還攜帶著線性動(dòng)量和角動(dòng)量（AM）。AM可以分為兩種類型：與圓偏振相關(guān)的自旋角動(dòng)量（SAM）和與空間相位因子ejlΦ相關(guān)的軌道角動(dòng)量（OAM）。此外，OAM光束是渦旋光束的一個(gè)子集。因此，具有圓偏振的光束可以稱為攜帶OAM的矢量光束，其相應(yīng)的天線可以全角動(dòng)量（AAM，同時(shí)攜帶SAM和OAM）天線，由于電磁分集，有可能提供更多的電磁信息。EM波攜帶的總角動(dòng)量可表示為???J=L+S(2-1)y-y-y-其中J為總角動(dòng)量，L為OAM，S為SAM。三者可分別表示為各自角動(dòng)量密度的體積分，具體為=∫ε0會(huì)Re(會(huì)*)dV(2-2)=ε0∫Re(*會(huì))dV(2-3)=ε0∫Re(i*(-i(會(huì)Δ)·))dV(2-4)征為極化方式；而OAM與空間位置有關(guān)，OAM的相位是空間位置的函數(shù)。也就是說(shuō)，電磁波攜帶SAM和OAM，分別描述其自旋和軌道特性。渦旋波束中的螺旋相位結(jié)構(gòu)電磁波可被視為復(fù)用技術(shù)的新維度參數(shù)。當(dāng)拓?fù)浜蓭в胁煌臄?shù)值時(shí)，不僅每個(gè)波束被視為獨(dú)立的信息通道，還能進(jìn)一譜利用率，從而增加信道容量。下面對(duì)軌道角動(dòng)量的特性進(jìn)行介紹。(1)正交性不同OAM模態(tài)的波束在彼此之間正交，并可通過(guò)復(fù)用/解復(fù)用來(lái)增加容量，這種特性使得它們能夠無(wú)需依賴傳統(tǒng)資源如時(shí)間和頻率。OAM波的電場(chǎng)可表示7(r,θ,Φ)=Amp(r,θ)ejlΦ(2-5)數(shù)分別為l1和l2,利用正交性進(jìn)行積分可以得到：0l2π1·EQ\*jc3\*hps15\o\al(\s\up4(*),2)dΦ=Amp,1·Amp,2,l1=l20l1*l2(2-6)通過(guò)這種方式，OAM波束不同模式之間保持正交特性，這一特性確保了在執(zhí)行多模態(tài)通信時(shí)具備顯著的抗干擾能力。因此，OAM天線的模態(tài)正交特性開(kāi)辟了前所未有的可能，能夠有效地支持多通道的高效傳輸。(2)幅值和相位特性根據(jù)上文描述，電磁場(chǎng)分量的角動(dòng)量的表達(dá)式含有相位因子ejlΦ,該項(xiàng)使得致軌道角動(dòng)量（OAM）波束的相位沿其主軸以螺旋形態(tài)前進(jìn)。對(duì)于模態(tài)l=1，電轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的相位變化量是2πl(wèi)。OAM波束的振幅分布展示出一個(gè)獨(dú)特的中心空洞特征，可以通過(guò)波束強(qiáng)度在軸線上是按照貝塞爾函數(shù)分布來(lái)解釋。在這種情況注意的是，隨著模態(tài)數(shù)增加，波束的發(fā)散性也相應(yīng)增強(qiáng)。(3)安全性由于OAM模態(tài)與空間的方位角存在不確定性，因此，OAM波能夠顯著增的波束將會(huì)是不同的模態(tài)疊加而成，這將造成接收到的OAM數(shù)據(jù)損壞。因此，基于不同模態(tài)的OAM波通信模式具有高度的安全性。2.2渦旋電磁波的產(chǎn)生方法軌道角動(dòng)量在通信領(lǐng)域顯現(xiàn)出強(qiáng)大的通信能力，而OAM渦旋波束的生成又是將軌道角動(dòng)量從理論轉(zhuǎn)為實(shí)際通信應(yīng)用的前提條件。根據(jù)目前的研究資料顯線、圓形相控陣天線和超表面天線。款天線只能生成一種單一模態(tài)值的OAM渦旋波束，所以目前在通信領(lǐng)域的使用比較少；超表面天線是采用亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的超材料制成，通過(guò)改變的形狀、大小和單元相互間的排列順序，使得輻射的電磁波產(chǎn)生一定的相位差，進(jìn)而生成所需的OAM渦旋波束?？梢酝ㄟ^(guò)設(shè)計(jì)來(lái)生成任何所需的模態(tài)值的渦旋8過(guò)改變各單元的激勵(lì)信號(hào)相位即可生成不同模式的OAM渦旋波束。本論文所采用的設(shè)計(jì)方式是基于圓形相控陣的天線陣列。以下重點(diǎn)闡述本文所用的相控陣列天線技術(shù)：參考圖2-1和圖2-2中的圖示，大致展示了利用相控陣生成OAM渦旋電磁波的方法。通過(guò)調(diào)控每個(gè)陣元的饋電相位，實(shí)現(xiàn)調(diào)整相鄰陣元之間的固有相位差，從而輻射出具有OAM特性的無(wú)線電磁波。陣元按一定的排列方式排列形成陣列天線，這樣能夠依靠電磁波的干涉和疊加原理，利用射頻開(kāi)關(guān)來(lái)調(diào)節(jié)每個(gè)陣元的相位，創(chuàng)造出固有的相位差。使得電磁波的電場(chǎng)和磁現(xiàn)了能量輻射模式的空間重新分配。圖2-1圓形相控陣列天線結(jié)構(gòu)示意圖圖2-2圓形相控陣列天線相位示意圖92.3共形天線的理論分析貼片天線的質(zhì)量輕、低剖面設(shè)計(jì)特性在共形結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用。接下來(lái)，將借鑒平面矩形貼片天線分析中的空腔模型，從此此切入點(diǎn)來(lái)闡述平面彎曲成為圓柱表面應(yīng)注意的變化。首先，在三維的坐標(biāo)系中構(gòu)建一個(gè)彎曲的矩形貼片天線，本模型可以看為是矩形-圓柱腔模型，矩形是指使用的貼片為矩形微帶貼構(gòu)中，直線部分的尺寸為2b；而彎曲部分的長(zhǎng)度則由圓柱半徑a加上厚度h乘有一個(gè)厚度為h，其相對(duì)介電常數(shù)為ε0。然后，本文將焦點(diǎn)聚集在貼片與圓柱形現(xiàn)出磁性特性的圓柱形矩形腔體[21]。則諧振頻率可用公式表示[22]：fmn=2+21/2(2-7)λ在值的確定中，對(duì)其值的求解要考慮兩種情況：一是針對(duì)沿著貼片向，也就是H平面的彎曲[23]。通過(guò)固定彎曲面的尺寸，然后調(diào)整變更其彎曲半徑，可以探究在不同模態(tài)下，諧振頻率與圓柱半徑之間呈現(xiàn)的關(guān)系。由于介質(zhì)基板在曲率作用下，會(huì)顯著干擾貼片單元中諧振電流的傳導(dǎo)路徑，從而直接影響天線的整體諧振頻率。因此，觀察到各模態(tài)下諧振頻率的變動(dòng)趨勢(shì)呈現(xiàn)出一致的現(xiàn)象，即隨著圓柱半徑的逐步減小，諧振頻率傾向于向較低的頻段移動(dòng)。2.4本章小結(jié)本章主要介紹了OAM的基本理論原理，并介紹了渦旋波理論以及一些相關(guān)特性，對(duì)OAM波束幾種常見(jiàn)的產(chǎn)生方法做了總結(jié)，著重介紹了當(dāng)前廣泛應(yīng)用的確的諧振頻率公式。以上的基本理論及相應(yīng)公式的推導(dǎo)為接下來(lái)的研究?jī)?nèi)容提供了理論依據(jù)。3共形OAM天線設(shè)計(jì)原理3.1矩形微帶貼片天線單元設(shè)計(jì)相關(guān)理論3.1.1矩形微帶貼片天線簡(jiǎn)介根據(jù)G.A.Deschamps教授于1953年提出的微帶天線的概念，由于早期的技術(shù)局限與認(rèn)知不足，并未得到充分的實(shí)踐應(yīng)用。歷經(jīng)約二十余年的積累與發(fā)展，自從首批微帶天線實(shí)體樣品誕生后，這一領(lǐng)域逐漸成為了學(xué)術(shù)界持續(xù)關(guān)注和研不可或缺的重要性。微帶天線以其低剖面、緊湊體積和高集成度著稱，這些特質(zhì)使其在如衛(wèi)星遙感、雷達(dá)探測(cè)與無(wú)線通信等眾多關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。[24]介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，以及厚度的設(shè)定。此外，輻射元的長(zhǎng)度和寬度的優(yōu)化調(diào)整，對(duì)天線的輻射效率和性能表現(xiàn)也有著顯著的影響。都會(huì)直接影響到最終天線的地壓縮其工作頻率范圍。相反，若刻意減小貼片天線的表面波效應(yīng)以拓寬工作帶寬，卻可能導(dǎo)致其性能指標(biāo)，如品質(zhì)因數(shù)Q的下降。選用厚實(shí)的提升帶寬和輻射效率，然而，在一定程度上用何種介質(zhì)板時(shí)，需充分考慮具體環(huán)境和實(shí)際需求，以實(shí)現(xiàn)最佳效果。需要特別注意的是，盡管在理論模型分析中通常假設(shè)理想的無(wú)限大地作為參考，但在實(shí)際的電路仿真中，金屬地板的物理尺寸射特性受多種參數(shù)影響，主要包括矩形天線實(shí)際的長(zhǎng)度和寬度、等效輻射縫隙的直徑大小和其在結(jié)構(gòu)中的精確安置位置，更是需要特別關(guān)注的因素。3.1.2矩形微帶天線的參數(shù)計(jì)算如圖3-1為基礎(chǔ)的矩形微帶天線模型，此微帶線中心饋電的天線由參考地、介質(zhì)基板、中心饋線、微帶線以及矩形輻射天線構(gòu)成。需要注意的是，同軸饋電的貼片天線并不需要微帶線。金屬作為參考地。從本質(zhì)上講，矩形微帶天線的設(shè)計(jì)理念借鑒了傳輸線理論的基本原理，輻射貼片、介質(zhì)基片和參考地可以被等效模擬為一條低阻抗的傳輸線，其中線路以半波長(zhǎng)兩端開(kāi)路形式存在。一般情況下，由于波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于介質(zhì)基片的厚度λ?h，基片厚度h對(duì)貼片的邊緣阻抗的影響可以忽略，h對(duì)輻射貼片邊緣的阻抗效應(yīng)微乎其微。實(shí)際上，邊緣阻抗主要受制于貼片的長(zhǎng)度L和寬度W，這種特性極大地簡(jiǎn)化了矩形微帶天線的設(shè)計(jì)過(guò)程。圖3-1矩形微帶天線結(jié)構(gòu)[25]介質(zhì)基片的材料與尺寸的選擇是微帶天線設(shè)計(jì)過(guò)程中至關(guān)重要的一環(huán)，f表示矩形微帶天線的諧振頻率，εr表示材料的介電常數(shù)，則輻射貼片的的寬度W為:W=c(3-1)2fcf√εeλgcf√εe射貼片的長(zhǎng)度L為：L=cf√εL=cε?為有效介電常數(shù)，L表示邊緣縫隙長(zhǎng)度。則可以表示為：εe=εr+12+εr?12√(1+12ΔL=0.412h(εs+0.3)(0.264)(3-3)(3-4)(3-5)獲取更準(zhǔn)確的尺寸參數(shù)。為后續(xù)的OAM陣列天線設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)計(jì)算的理論依3.1.3微帶貼片天線的饋電方式以及LH型探針饋電與口徑耦合饋電等多種天線種類。其中，微帶線饋電因其構(gòu)比之下，由于同軸線的屏蔽效果和輻射效果較微帶線更佳，尤其在高頻情況下，同軸饋電的阻抗較易控制，帶來(lái)的損耗相對(duì)較小。圖3-2中的（a）圖為側(cè)饋的俯視圖，（b）圖為背饋的俯視圖，（c）圖為背饋的主視圖[25]。圖3-2側(cè)饋和背饋方式示意圖(從左往右依次為側(cè)饋，背饋的俯視圖和主視圖)[25]3.2OAM陣列天線設(shè)計(jì)相關(guān)原理本文章節(jié)2.2介紹了渦旋電磁波的多種生成方法，下面對(duì)本文主要使用的圓形相控陣列天線進(jìn)行簡(jiǎn)單的理論分析。如上圖2-1該圖展示了一個(gè)由八個(gè)陣元構(gòu)成的均勻縱向排列的微帶貼片天線陣列，其核心結(jié)構(gòu)圍繞著原點(diǎn)布局。通過(guò)調(diào)整陣元之間的相位差，可以實(shí)現(xiàn)不同的OAM模態(tài)l，使陣列天線輻射出具有OAM渦旋特性的電磁波波束。對(duì)于一個(gè)由N個(gè)陣元構(gòu)成的OAM陣列，每個(gè)陣元對(duì)應(yīng)的模式值l決定了其與相鄰陣元之間的相位差，即ΔΨ=。根據(jù)限制條件?N/2<1<N/2，可以確定該OAM陣列天線支持的模式數(shù)l的范圍。利用圓形陣列的對(duì)稱特性，該陣列可以被劃分成包含多個(gè)同心圓的子陣列。這里，每個(gè)子陣列中的陣元半徑可用r(m)來(lái)表示：r(m)=√(2EQ\*jc3\*hps23\o\al(\s\up6(m),2)1)a(3-6)則相鄰陣元的角度為：在以上公式中，符號(hào)M被定義為天線陣列可以劃分的環(huán)數(shù)，即將陣列劃分為面積相等的扇形區(qū)域。符號(hào)m表示所選的其中一環(huán)，而符號(hào)n表示所選環(huán)的位置。由于本文探討的陣列天線結(jié)構(gòu)的限制，陣列只包含一環(huán)況，即M=m=1。線陣在理想輻射方向θ=0。時(shí)，為了生成具有階數(shù)為l的OAM渦旋束，每線元件的饋電相位需調(diào)整為：(3-8)n=l(3-8)上式(3-8)中(xn,yn,zn)為第n個(gè)天線單元的坐標(biāo)位置。3.3共形OAM陣列天線設(shè)計(jì)原理圖4-14。該柱面共形天線陣由N=8個(gè)天線單元組成，其中所使用的陣元與本章3.1節(jié)中介紹的微帶貼片天線一致。這些天線按照?qǐng)D2-1的陣列形式排放，由于平面陣列天線的每個(gè)天線單元都在同一平面內(nèi)，所以每個(gè)天線單元的輻射方向圖是一致的。但轉(zhuǎn)換到彎曲的柱面時(shí)，應(yīng)對(duì)在共形柱面上的每個(gè)天線單元進(jìn)行相位補(bǔ)償。當(dāng)在天線陣面的法向上產(chǎn)生模態(tài)為l的OAM波束時(shí)，每個(gè)天線單元的補(bǔ)償相位為Φ=l·φ?k0·z=l·arctan(y/x)?k0·z(3-9)在公式(3-9)中，k0表示自由空間中的波數(shù)常數(shù)。與公式(3-9)相比，公式(3-8)額外增加了一項(xiàng)?k0·zn的相位補(bǔ)償。這是因?yàn)槠矫嫣炀€陣中，每個(gè)陣元的Z軸坐標(biāo)值是相同的。對(duì)共形天線陣來(lái)說(shuō)，不論是采用柱面結(jié)構(gòu)還是錐面結(jié)構(gòu)，每個(gè)天線單元的Z軸坐標(biāo)值都是不同的，為了在共形陣列中產(chǎn)生OAM渦旋消除在Z軸方向上的相位差[26]。3.4本章小結(jié)括布局和參數(shù)的計(jì)算方法；最后，引入并后續(xù)章節(jié)中關(guān)于共形OAM陣列天線的設(shè)計(jì)提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。4共形OAM天線仿真及分析4.1HFSS仿真軟件介紹HFSS（HighFrequcncyStnuctroSimnlator),作為全球首個(gè)商業(yè)化的三維電磁場(chǎng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。它采用直觀易用的用戶界面，其精準(zhǔn)的自適應(yīng)場(chǎng)解析器展現(xiàn)出了卓越的性能，其功能強(qiáng)大的后處理器具備很強(qiáng)的電性能分析能力，三維無(wú)源結(jié)構(gòu)的S參數(shù)以及詳盡的全波電磁場(chǎng)特性[27]。HFSS軟件提供了全方位的天線設(shè)計(jì)仿真解決方案，能夠精準(zhǔn)地模擬和計(jì)算出各種天線性能。使用HFSS對(duì)共形貼片陣列OAM天線設(shè)計(jì)的具體實(shí)施方法如下：1.構(gòu)建系統(tǒng)模型：對(duì)5G車載共形貼片陣列OAM天線進(jìn)行設(shè)計(jì)。貼片天線由多個(gè)貼片單元組成，每個(gè)貼片單元具有特定的輻射特性和方向性。根據(jù)設(shè)計(jì)要天線的工作頻率為5.9GHz，使其適應(yīng)車載通信系統(tǒng)的需求。天線進(jìn)行建模和優(yōu)化。通過(guò)建立準(zhǔn)確的天線模型，可以分析和評(píng)估天線的S11、求和性能指標(biāo)。天線進(jìn)行結(jié)果分析與總結(jié)。評(píng)估天線的性能和指標(biāo)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程和優(yōu)化方法進(jìn)行總結(jié)和改進(jìn)。4.2天線單元仿真設(shè)計(jì)4.2.1天線單元設(shè)計(jì)流程及參數(shù)設(shè)計(jì)圖4-1天線單元設(shè)計(jì)流程圖天線單元的設(shè)計(jì)流程如圖4-1所示。在進(jìn)行天線單元的設(shè)計(jì)時(shí)，首先要明確用其他輔助軟件設(shè)計(jì)工具，設(shè)計(jì)所需的天線類型及相應(yīng)的參數(shù)需求；再利用仿真軟件結(jié)合計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行建模以及相應(yīng)的仿真設(shè)置，如邊界條件、端口激勵(lì)和求解設(shè)置等，待仿真驗(yàn)證通過(guò)過(guò)后就可以運(yùn)行得到天線的仿真結(jié)果。多數(shù)情況下仿真結(jié)果值往往很難一次性滿足預(yù)期結(jié)果，所以還需要根據(jù)天線的性能指標(biāo)進(jìn)行多個(gè)變量參數(shù)的合理優(yōu)化，最終得到最理想的尺寸參數(shù)。在設(shè)計(jì)最開(kāi)始，首先根據(jù)公式3.1.2估算出陣元的尺寸規(guī)格，然后將這些參數(shù)導(dǎo)入高級(jí)仿真軟件進(jìn)行建模，通過(guò)反復(fù)的優(yōu)化調(diào)整，直至所有設(shè)計(jì)參數(shù)完全符合預(yù)期。如圖4-2，采用50ohms的同軸給陣元進(jìn)行饋電，其3Dmodel從上往寬度w0線的材料選用vacuum。介質(zhì)基板尺寸L1*W1輻射貼片的長(zhǎng)度長(zhǎng)為L(zhǎng)1,寬為W1)in表示同軸線的半徑，Rout為饋點(diǎn)端口的半徑，另外在此設(shè)計(jì)中要求中心頻率f0為5.9GHz。圖4-2陣列天線的陣元結(jié)構(gòu)示意圖表4-1陣列單元天線尺寸（mm）L0W0L2HL1W1RinRout2.5125250.514.2.2天線單元仿真及分析根據(jù)理論初值表4-1繪制微帶貼片天線模型，通過(guò)仿真軟件不斷優(yōu)化，得到相對(duì)理想的各項(xiàng)參數(shù)性能指標(biāo)。借助HFSS進(jìn)行求解以獲得微帶貼片天線的參數(shù)及其相關(guān)性能，如圖4-3為微帶貼片天線回波損耗曲線圖，從圖中可以看出天線在中心頻率5.95GHz上的回波損耗S11為-22.27dB，當(dāng)S圖4-3微帶貼片天線回波損耗圖4-4為微帶貼片天線在中心頻率5.95GHz下的三維輻射圖，通過(guò)最左側(cè)軸可以看出天線輻射沿Z軸的最大增益為4.7dB。圖4-4微帶貼片天線3D輻射方向圖圖4-5為微帶貼片天線在中心諧振頻率5.9GHz時(shí)的電磁波電場(chǎng)幅值分布圖，其中選擇的參考平面為沿天線傳播方向距離為20mm，面積大小為20πm*20πm的一個(gè)矩形觀察面。如圖所示，微帶貼片天線的電場(chǎng)能量圍繞軸輻射方向環(huán)狀均勻圖4-5微帶貼片天線電場(chǎng)幅值分布圖4.2.3圓形貼片單元對(duì)比根據(jù)上述所提到的矩形微帶貼片天線，在保持原來(lái)同軸饋電的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變輻射貼片的形狀對(duì)單元陣列的種類進(jìn)行進(jìn)一步討論。如圖4-6所示，利用HFSS設(shè)計(jì)了一款圓形微帶貼片天線。圖4-6圓形微帶貼片天線其仿真結(jié)果的回波損耗與3D電磁波電場(chǎng)幅值分布圖分別如下圖4-7和圖4-8所示。從圖中可以看出天線在中心頻率5.9GHz上的回波損耗S11為-13.2dB，當(dāng)S11下降10dB時(shí)，可以計(jì)算出相對(duì)帶寬為0.21GHz。通過(guò)其3D電磁波電場(chǎng)幅值分布圖可以看出最大增益沿Z軸正方向?yàn)?.4。圖4-7圓形微帶貼片天線回波損耗圖4-8圓形微帶貼片天線3D幅值分布圖通過(guò)對(duì)比矩形微帶貼片天線的回波損耗圖4-3、幅值分布圖4-5和圓形微帶貼片天線的回波損耗圖4-7、幅值分布圖4-8可以看出兩種不同類型的貼片在中形微帶貼片的幅值增益最大值為4.7dB大于圓形貼片的4.4dB，且矩形微帶貼片天線在整個(gè)輻射方向范圍內(nèi)的增益變化較小，具有更均勻的輻射特性。因此本文選擇使用增益表現(xiàn)較好的矩形微帶貼片天線作為陣列單元。4.3陣列天線設(shè)計(jì)4.3.1陣列天線設(shè)計(jì)流程在陣元設(shè)計(jì)完成的基礎(chǔ)上進(jìn)行天線陣列的設(shè)計(jì)，同理，先確定陣列的形狀，每個(gè)端口進(jìn)行饋電來(lái)獲得不同模式值l的OAM渦旋電磁波，就完成了OAM陣列天線的設(shè)計(jì)。流程如圖4-9所示。圖4-9陣列天線設(shè)計(jì)流程圖4.3.2陣列天線仿真設(shè)計(jì)以本文章節(jié)4.1設(shè)計(jì)的同軸微帶貼片天線作為基本單元，縱向繞原點(diǎn)均勻放置8個(gè)貼片單元，選擇介質(zhì)板材為FR4，如圖4-10所示。圖4-10微帶貼片天線電場(chǎng)幅值分布圖結(jié)合章節(jié)3.2的內(nèi)容，根據(jù)不同的模態(tài)給各單元加上不同的相位差，然后再給每個(gè)單元進(jìn)行饋電，就可以得到在不同模態(tài)下的OAM渦旋電磁波。針對(duì)于一個(gè)N元多模態(tài)OAM陣列天線，假設(shè)第一個(gè)單元的饋入相位Ψ=本文按照順時(shí)針（亦可逆時(shí)針）給每個(gè)單元增加相位ΔΨn=2πnl/N。對(duì)于本文設(shè)計(jì)的8陣元陣列天線，以Y軸正半軸方向上的單元作為第一單元，按順時(shí)針?lè)謩e標(biāo)號(hào)為單元2至單元8，其不同模態(tài)情況下的饋電相位如下表4-2所示。表4-2陣列天線不同模態(tài)情況下的饋電相位模態(tài)l=0模態(tài)l=1模態(tài)l=2模態(tài)l=3單元1單元245。90。單元390。270。單元4270。45。單元590。單元6225。315。單元7270。270。90。單元8315。225。4.3.3天線陣列仿真及分析選擇參考平面為沿天線傳播方向距離為20mm，面積大小為100mm*100mm的一個(gè)矩形觀察面。圖4-11和圖4-12分別為陣列天線電場(chǎng)輻射圖和相位分布圖。當(dāng)激勵(lì)信號(hào)的相位以順時(shí)針?lè)较蛑饾u增長(zhǎng)時(shí)，產(chǎn)生的渦旋波波束也相應(yīng)地中心最為集中，向外圍逐漸減弱，不呈現(xiàn)渦旋狀分布。當(dāng)l=+1時(shí)，相位結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變，出現(xiàn)了軌道角動(dòng)量（OAM）渦旋電磁波，電場(chǎng)能量隨著波束的旋轉(zhuǎn)而向外擴(kuò)散。模態(tài)l=-1與l=+1相比，只是渦旋波波束的旋轉(zhuǎn)方向相反。進(jìn)一步增加l=+2時(shí)，電場(chǎng)能量的渦旋狀分布更加明顯，并且擴(kuò)散現(xiàn)象加劇，導(dǎo)致波束中心出現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)較弱的區(qū)域，即中央空洞現(xiàn)象。隨著l=+3，電場(chǎng)能量的渦旋性變差近了陣列的工作極限。在從l=0到l=+3的過(guò)程中，電場(chǎng)能量的發(fā)散性逐步增強(qiáng)，空洞區(qū)域面積也只能達(dá)到一定的極限。為了避免在實(shí)際應(yīng)用中遭遇電場(chǎng)能量分布不佳的問(wèn)題，可以通過(guò)增加陣元數(shù)量，無(wú)論是環(huán)上的陣元數(shù)還是環(huán)波束的性質(zhì)，延伸OAM波束的潛在應(yīng)用范圍。20圖4-11不同模式下的OAM天線電場(chǎng)幅值(a)模式l=0；(b)模式l=1；(c)模式l=2；(d)模式l=3圖4-12不同模式下的OAM天線相位分布圖(a)模式l=0；(b)模式l=1；(c)模式l=2；(d)模式l=321圖4-13不同模式下的3D輻射方向圖(a)模式l=0；(b)模式l=1；(c)模式l=2；(d)模式l=3圖4-13為中心頻率為5.9GHz時(shí)，針對(duì)不同模態(tài)l=0,l=1,l=2,l=3對(duì)應(yīng)陣元的相位增量分別按0。,45。,90。,135。依次遞增，得到3在三維增益方向圖可以發(fā)現(xiàn)，軌道角動(dòng)量l的不同值產(chǎn)生了顯著的不同效果。當(dāng)l=0，增益主要集中在主瓣，周圍的旁瓣較弱，且隨著原理主顯多于l=0的情況，同時(shí)，中心的增益降低，這表示能量更加分散。當(dāng)l=+2時(shí)，三維增益圖中中心區(qū)域的增益顯著低于其周圍區(qū)域，形成一個(gè)低增益的區(qū)域，與圖4-11所示的中央空洞現(xiàn)象相吻合。此時(shí)，主瓣的增益明顯低于旁瓣，波瓣寬度的增大且其方向性減弱。數(shù)量和增益。增益逐步升高。波瓣的寬度變寬，方向性變得更加弱，且增益在中心低于四周，這也是中央空洞現(xiàn)象的特征，與圖4-11中的結(jié)果高度一致。這些現(xiàn)象表明，為了維持或者增強(qiáng)天線的方向性和集中性，需要對(duì)旁瓣進(jìn)行控制，優(yōu)化天線設(shè)計(jì)或使用信號(hào)處理技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。224.4共形OAM陣列及天線單元設(shè)計(jì)及分析4.4.1共形OAM陣列天線仿真設(shè)計(jì)根據(jù)前文提供的陣列，按照?qǐng)D4-14進(jìn)行模型繪制，將陣列擺放到彎曲的柱面上，其中選擇柱面介質(zhì)板材為vacuum。圖4-14共形OAM陣列天線相位補(bǔ)償。與上文的陣列天線饋電擺放位置相同，以Y軸正半軸方向上的單元作為第一單元，按順時(shí)針?lè)謩e標(biāo)號(hào)為單元2至單元8，根據(jù)公式(3-9)，可以得出每一個(gè)單元的補(bǔ)償相位，再加上相應(yīng)的饋電相位，可以得下，每個(gè)單元需要加的相位如下表4-3所示。表4-3共形OAM陣列天線補(bǔ)償相位模態(tài)l=0模態(tài)l=1模態(tài)l=2模態(tài)l=3單元1單元253。98。單元3282。單元4278。53。單元590。單元6233。323。單元7282。282。單元8323。233。4.4.2共形OAM陣列仿真及分析通過(guò)觀察仿真的電場(chǎng)幅值、相位以及3D增益圖對(duì)所做共形OAM陣列進(jìn)行23圖4-15不同模式下的共形OAM天線電場(chǎng)幅值分布圖(a)模式l=0；(b)模式l=1；(c)模式l=2；(d)模式l=3圖4-15為共形OAM陣列天線在中心諧振頻率5.9GHz時(shí)的渦旋電磁波電場(chǎng)幅值分布圖，其中選擇的參考平面為沿陣列天線傳播方向距離為20mm，面積大小為100mm*100mm的一個(gè)矩形觀察面。當(dāng)電場(chǎng)幅值呈現(xiàn)順時(shí)針螺旋分布時(shí)，則表示OAM模式值為正值；當(dāng)電場(chǎng)幅值呈現(xiàn)逆時(shí)針螺旋分布時(shí)，則表示OAM模式值為負(fù)值。從幾個(gè)電場(chǎng)幅值分布圖中可以看出，位于電場(chǎng)螺旋中心位置呈藍(lán)大，中央空洞面積也隨之增大，OAM陣列的半徑也是影響空洞大小的一個(gè)關(guān)鍵如圖4-15(a)所示，當(dāng)時(shí)電場(chǎng)能量圍繞軸輻射方向近似成環(huán)狀均勻分布；如圖4-15(b)所示，當(dāng)時(shí)波束開(kāi)始出現(xiàn)螺旋分布，同時(shí)在螺旋中心開(kāi)始出現(xiàn)中央空電場(chǎng)螺旋分布更加明顯且能量向外發(fā)散，中央空洞區(qū)域變的更大；如圖4-15(d)所示，當(dāng)時(shí)渦旋波中空部分的面積也逐漸增大，旁瓣也逐漸變大并變成新的主瓣，輻射方向性開(kāi)始減弱。圖4-16為不同模式的電場(chǎng)相位分布圖。從圖4-16(a)中可以看出，當(dāng)模式值時(shí)，電場(chǎng)的相位分布呈同心圓環(huán)狀從中心向四周相位周期改變，未出布的旋轉(zhuǎn)相位曲線圖，渦旋波中心出現(xiàn)了相位奇點(diǎn)。以相位中心為圓心以任意長(zhǎng)度大小為半徑畫一個(gè)圓，以圓上的某一點(diǎn)為起點(diǎn)繞著圓旋轉(zhuǎn)一圈，電場(chǎng)相位也跟24圖4-16不同模式下的OAM天線相位分布圖(a)模式l=0；(b)模式l=1；(c)模式l=2；(d)模式l=3著變化了2πnl，則陣元間的相位差為2πnl/N，其中N=8。圖4-16(b)、4-16(c)、4-16(d)中相位旋轉(zhuǎn)一圈后分別變化了360。、720。和1080。，符合前面關(guān)于OAM渦旋波關(guān)于電場(chǎng)螺旋相位的理論。圖4-17不同模式下的共形OAM天線3D輻射方向圖(a)模式l=0；(b)模式l=1；(c)模式l=2；(d)模式l=325當(dāng)l=+1，增益圖中出現(xiàn)了若干小的旁瓣，并且Z軸上的增益開(kāi)始向周圍擴(kuò)散，導(dǎo)致方向性有所下降。這種變化表明波束開(kāi)始散射，能量開(kāi)始從主軸向外輻散，方向性變差。且中央空洞問(wèn)題更加明顯，即波束中心的增益降至一個(gè)較低水平。射特性會(huì)經(jīng)歷從高度集中到高度分散的轉(zhuǎn)變。4.5本章小結(jié)本章主要設(shè)計(jì)了一款使用同軸饋電的微帶貼片天線，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)其S11、天線3D輻射方向圖和天線電場(chǎng)幅值分布圖進(jìn)行了一定的分析。接著在微態(tài)下的3D輻射方向圖和二維輻射圖、渦旋電磁波電場(chǎng)幅值分布圖、電場(chǎng)相位分布圖，并比較了在不同模態(tài)下的區(qū)別。最后借助HFSS仿真軟件設(shè)計(jì)了工作在5.9GHz的共形在柱面上的共形OAM天線仿真了OAM渦旋波的電場(chǎng)幅值分布、相位分布及三維輻射方向圖，結(jié)果表明該共形OAM陣列天線可以產(chǎn)生多種模式OAM天線的設(shè)計(jì)。265總結(jié)與展望5.1總結(jié)本文主要針對(duì)5G車載天線資源緊缺的問(wèn)題，提出了利用共形OAM陣列天闡述了OAM的基本原理和產(chǎn)生方法；然后從陣元、陣列以及共形三個(gè)角度講述了共形OAM陣列天線設(shè)計(jì)的原理；最后在前面研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合HFSS仿真軟件，設(shè)計(jì)了一款工作在5.9GHz頻段的共形在柱面的OAM渦旋電磁波微帶陣列天線。通過(guò)對(duì)S11參數(shù)、3D增益方向圖、電場(chǎng)輻射圖和電場(chǎng)相位圖的分析與討論，深入研究了共形OAM渦旋電磁波微帶陣列天線的波束性能與模態(tài)l之間本論文主要完成工作如下：（1）深入研究了OAM陣列天線如何通過(guò)調(diào)整陣元個(gè)數(shù)N生成渦旋電磁波，對(duì)于單環(huán)圓環(huán)狀相控陣，其最大可產(chǎn)生的OAM模式l與陣元數(shù)量N存在一個(gè)特定關(guān)聯(lián)，具體表現(xiàn)為?N/2<1max<N/2；（2）討論了在不同的模態(tài)下，渦旋電磁波受到的相應(yīng)影響。在l等于零的特殊情況下，由于陣元間的初始相位差為零度，導(dǎo)致形成的波束呈現(xiàn)出平面特性，電場(chǎng)能量主要集中在Z軸（即陣列天線的核心區(qū)域中心處場(chǎng)強(qiáng)最為顯著。隨著模態(tài)|l|值的提升，每個(gè)陣元之間的固有非零相位差開(kāi)始顯現(xiàn)，進(jìn)而產(chǎn)生了具域會(huì)形成一個(gè)逐漸擴(kuò)大的"空洞"。當(dāng)模態(tài)達(dá)到最大值1=1max時(shí)，電場(chǎng)能量的輻射更為明顯，中心的"空洞"區(qū)域最為顯著，渦旋性質(zhì)相對(duì)較弱。這清楚地揭示了OAM陣列天線所生成的渦旋電磁波模態(tài)l會(huì)受到陣元數(shù)量的限制。（3）本研究采用了相位補(bǔ)償法來(lái)優(yōu)化共形天線的饋電系統(tǒng)，探討了該技術(shù)在柱面共形相控陣天線中的應(yīng)用原理，并對(duì)其關(guān)鍵性能參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。5.2研究展望于其復(fù)雜性和潛在可能性，仍存在著諸多未解難題與創(chuàng)新空間，這人員持續(xù)深化探究。本文探討了渦旋電磁波如何在共形表面上激發(fā)渦旋波束，目標(biāo)是探討共形OAM陣列天線在現(xiàn)代車載通信系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用潛力。然而，受限于現(xiàn)有知識(shí)和資源，重點(diǎn)僅局限在共形相位調(diào)控天線生成渦旋電磁波束的特27解和優(yōu)化。以下是可供深入探究的幾個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域：（1）在不同形狀的表面上共形以及使用不同種類的陣列天線進(jìn)行共形，通過(guò)一步優(yōu)化，從而使得在共性表面產(chǎn)生的渦旋電磁波波束更加集中。28參考文獻(xiàn)[1]孫學(xué)宏,李強(qiáng),龐丹旭,etal.軌道角動(dòng)量在無(wú)線通信中的研究新進(jìn)展綜述[J].電子學(xué)報(bào),2015,43:2305–2314.[2]朱松.共形天線的發(fā)展及其電子戰(zhàn)應(yīng)用[J].中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào),2007:562–567.[3]PoyntingJH.Thewavemotionofarevolvingshaft,andasuggestionastotheangularmomen-tuminabeamofcircularlypolarisedlight[J].ProceedingsoftheRoyalSocietyofLondon.SeriesA,ContainingPapersofaMathematicalandPhysicalCharacter,1909,82(557):560–567.[4]BethRA.Mechanicaldetectionandmeasurementoftheangularmomentumoflight[J].Phys-icalReview,1936,50(2):115.[5]MehmoodM,MeiS,HussainS,etal.Visible-frequencymetasurfaceforstructuringandspa-tiallymultiplexingopticalvortices[J].Adv.Mater,2016,28(13):2533–2539.[6]MairA,VaziriA,WeihsG,etal.Entanglementoftheorbitalangularmomentumstatesofphotons[J].Nature,2001,412(6844):313–316.[7]ThidéB,ThenH,Sj?holmJ,etal.Utilizationofphotonorbitalangularmomentuminthelow-frequencyradiodomain[J].Physicalreviewletters,2007,99(8):087701.[8]TamburiniF,MariE,SponselliA,etal.Encodingmanychannelsonthesamefrequencythroughradiovorticity:?rstexperimentaltest[J].Newjournalofphysics,2012,14(3):033001.[9]AllenB,TennantA,BaiQ,etal.WirelessdataencodinganddecodingusingOAMmodes[J].ElectronicsLetters,2014,50(3):232–233.[10]KrowneC.Cylindrical-rectangularmicrostripantenna[J].IEEETransactionsonAntennasandPropagation,1983,31(1):194–199.[11]KannoM,HashimuraT,KatadaT,etal.Digitalbeamformingforconformalactivearrayantenna[C].InProceedingso