宽带可折叠轨道角动量反射阵天线

本文介绍了一款新型宽带可折叠轨道角动量反射阵天线。该天线主要包含三部分：第一部分是上层线极化栅格，它可以透过一种线极化波同时传输另一种与之正交的线极化波；第二部分是下层双极化轨道角动量反射阵面，它可以产生高增益轨道角动量涡旋电磁波，同时对馈源发出的线极化波起到极化扭转的作用，实现反射阵的折叠性能，降低反射阵天线的纵向剖面高度；第三部分是宽带馈源天线。为了验证本文设计的折叠轨道角动量反射阵性能，在HFSS中自动化建模仿真，通过仿真结果可以看出，该天线在54~66 GHz宽带范围内可辐射轨道角动量电磁波并获得20%的3-dB增益带宽，同时该天线相比于传统反射阵天线，其纵向高度缩减为原来的一半，实现了低剖面性能。本文设计的轨道角动量反射阵天线具有宽带、高增益以及低剖面性能，在通信、成像等平台具有潜在的应用价值。

OAM 技术作为一种复用技术在无线通信中逐渐成为研究的热点之一。

由于OAM 各个模态之间存在天然的正交特性，通过在正交模式上加载多路信号，可以得到多个相互独立的OAM 信道，在提升系统容量和频谱利用率方面具有潜在的应用价值。传统的天线实现OAM 的方式有螺旋相位板、抛物面、圆环阵列等，但是这些天线都有各自的缺点，比如螺旋相位板介质损耗大，抛物面天线难加工，圆环阵列增益低等[1] [2]。其中应用最多的是圆环阵列[3]，其设计方法简单，加工成本低廉，微带贴片呈圆周分布，对每个微带贴片加载特定的幅度和相位，可实现多个模式的OAM 涡旋电磁波。作为一种新型的高增益天线，反射阵天线结合了反射面天线和阵列天线的优势，具有设计简单、成本低、损耗小、波束灵活可控等优点，逐渐成为国内外学者关注的热点之一[4] [5]。但由于其采用空馈形式，这一固有结构导致其剖面过高，严重限制了其在某些领域的应用。为了解决这一问题，国外学者Pilz 和Menzel 提出了折叠反射阵天线[6] [7]。

与传统空馈反射阵天线相比， 折叠反射阵天线采用线极化栅使得传统反射阵天线的纵向高度降低为原来的一半，同时降低了天线的交叉极化电平。因此，结合OAM 技术和折叠反射阵二者的优点，设计一款宽带折叠OAM 反射阵天线具有重要的理论意义和潜在的应用价值。

不同于以前传统的反射阵天线，本文提出的一种宽带可折叠OAM 反射阵天线设计，其纵向高度缩减为原来的一半，实现了低剖面性能。此外其具有宽带、高增益性能，在未来通信、成像等平台具有潜在的应用价值。

2. 天线设计 2.1. 工作原理 如图1 所示， 折叠OAM 反射阵天线主要包含一个上层线极化栅格， 一个下层的OAM 反射阵以及一个位于下层中心位置的线极化馈源。其中线极化栅格可以反射一种线极化波，同时传输与之正交的另一种线极化波。

馈源发出的一种线极化球面波(红色虚线)到达上层线极化栅格， 被反射到下层OAM 反射阵， 通过相移补偿被转化为OAM 高增益平面波(绿色实线)， 同时把极化方向扭转了90˚ (与之正交的另一种线极化波)再次反射出去，这种OAM 线极化波将透过上层线极化栅格并辐射到自由空间。天线的等效馈源位置和传统天线的馈源位置重合，基于射线追踪原则，此时天线的纵向高度仅为原来的1/2。