王志霞

(山西工程科技職業(yè)大學(xué)，山西 晉中 030619)

0 引言

近年來，隨著無線通信技術(shù)蓬勃發(fā)展，通信業(yè)務(wù)與日俱增，使得原本就緊缺的頻譜資源更加緊張。如何合理且有效地利用頻譜資源成了人們面臨的最大挑戰(zhàn)。與此同時，攜帶軌道角動量的渦旋電磁波成了研究熱點。渦旋電磁波具有不同模式的軌道角動量，而且不同模式之間相互正交。由于模式間的正交性，可以很好地將攜帶不同軌道角動量的渦旋電磁波應(yīng)用于通信領(lǐng)域，不同模式的軌道角動量可以攜帶不同的信息，而且攜帶這些信息的電磁波由于模式正交性不會相互干擾，軌道角動量的模式數(shù)越多，攜帶的信息量越大，這樣就可以在不增加信道的寬度的基礎(chǔ)上成倍地增加信息容量。綜上所述，渦旋電磁波可以在同一帶寬內(nèi)實現(xiàn)多通道并行傳輸，大大提高了頻譜利用率，提高了帶寬容量，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 OAM渦旋電磁波概念

OAM渦旋電磁波全稱Orbital Angular Momentum，簡稱OAM。該電磁波攜帶軌道角動量，如圖1所示。該軌道角動量取決于電磁波相位分布，其相位因子為ej1φ，其中l(wèi)為拓撲荷，不同拓撲荷對應(yīng)不同的工作模式，不同工作模式之間相互正交，Φ為方位角。

圖1 軌道角動量示意圖

2 OAM渦旋電磁波形成方法

2.1 相控陣天線產(chǎn)生渦旋電磁波

在微波波段，陣列天線是最常見的直接產(chǎn)生渦旋電磁波的結(jié)構(gòu)。通過將若干個相同的天線輻射元按圓周均勻排列，對各陣元等幅等相位差延時激勵，產(chǎn)生不同模式的渦旋電磁波。其中各相鄰陣元相位差均為2l/N，l為渦旋電磁波模式，N為陣列天線輻射元個數(shù)，并且l和N必須滿足-N/2

圖2 不同形狀的微帶貼片天線

2.2 單微帶天線產(chǎn)生渦旋電磁波

陣列天線要想產(chǎn)生渦旋電磁波，必須借助饋電網(wǎng)絡(luò)為各陣元提供延時的等相位差，隨著陣列天線陣元的增加，饋電網(wǎng)絡(luò)就愈發(fā)復(fù)雜，這樣的話制造工藝復(fù)雜且容易產(chǎn)生誤差，鑒于此，單微帶天線產(chǎn)生渦旋電磁波誕生了。在微帶貼片天線表面上電流正負電荷交替出現(xiàn)，每種特征模式中相鄰特征電流間的相位是相反的，這里的特征電流可以類比于陣列天線中的輻射元電流，要想產(chǎn)生渦旋電磁波，必須形成偶數(shù)個特征模式電流周期。為了形成多個模式電流周期，可以采用多邊形貼片結(jié)構(gòu)(如圖3a所示)，理論上，只要多邊形的邊數(shù)滿足4(l+1)，其中l(wèi)表示模態(tài)數(shù)，不同的多邊形微帶貼片能產(chǎn)生不能模式的渦旋電磁波。但是隨著多邊形邊數(shù)的增加，貼片幾乎越來越接近圓形。于是，人們嘗試使用圓形微帶貼片天線產(chǎn)生渦旋電磁波。如圖3b所示，在圓形貼片上設(shè)置2個饋電點，使2個饋電點之間具有90°的相位差，可以形成模態(tài)為正負1、2的渦旋電磁波。

圖3 微帶貼片天線

2.3 橢圓形微帶貼片天線產(chǎn)生渦旋電磁波

圓形微帶貼片天線中需要借助不同的饋電點等幅延時相位激勵產(chǎn)生渦旋電磁波。橢圓形微帶貼片天線通過改變貼片的幾何結(jié)構(gòu)(如圖4所示)，使其幾何結(jié)構(gòu)不對稱，同時選取適當?shù)酿侂婞c，從而激發(fā)兩種簡并模，進而產(chǎn)生渦旋電磁波。

圖4 橢圓形微帶貼片天線[5]

2.4 透射式螺旋相位板產(chǎn)生渦旋電磁波

透射螺旋相位板(Spiral Phase Plate，SPP)是一種厚度隨著相對中心旋轉(zhuǎn)方位角的變化而成比例變化的一種結(jié)構(gòu)，如圖6所示，形狀類似于螺旋狀的階梯。當電磁波入射到螺旋相位板表面時，由于相位板具有不同厚度的螺旋階梯，致使透射電磁波具有不同的波程差，同時使得入射電磁波波前相位發(fā)生螺旋狀變化，從而形成渦旋電磁波。不同厚度的螺旋階梯相位板產(chǎn)生不同模態(tài)的渦旋電磁波。

2.5 反射型結(jié)構(gòu)產(chǎn)生渦旋電磁波

產(chǎn)生渦旋電磁波的反射型結(jié)構(gòu)有階梯型反射面(如圖6)和螺旋拋物面天線(如圖5)。當入射電磁波入射至階梯結(jié)構(gòu)物時，相鄰階梯的高度差使得電磁波產(chǎn)生相位差，從而形成不同模態(tài)的渦旋電磁波。

圖5 螺旋反射面[4]

圖6 階梯形螺旋反射面

2.6 其他結(jié)構(gòu)

除了上述詳細介紹的幾種結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生渦旋電磁波外，還有電磁超表面結(jié)構(gòu)、諧振腔結(jié)構(gòu)、透射光柵結(jié)構(gòu)、多孔相位板結(jié)構(gòu)。

3 小結(jié)

通過調(diào)研，本文首先分析了當前無線通信領(lǐng)域存在的問題，頻譜資源緊缺，為了提高頻譜利用率，增加信道容量，攜帶軌道角動量的渦旋電磁波應(yīng)用。文中詳細列舉了各種產(chǎn)生渦旋電磁波的方法，并簡單闡述了其工作原理。為設(shè)計盡可能多模態(tài)的軌道角動量天線奠定基礎(chǔ)。