基于可重构螺旋天线阵列的轨道角动量涡旋电磁波研究

摘要

轨道角动量涡旋波具有螺旋型波前相位，由于不同模态间的轨道角动量涡旋波相互正交，且理论上轨道角动量涡旋波具有无穷多个模态，因此将轨道角动量涡旋波的模式数作调制参数，将各路信息调制到不同模式的轨道角动量涡旋波上，这样在同一载频下将拥有无穷多个相互独立的轨道角动量信道，利用轨道角动量涡旋波模式数这一新的自由度，将极大地提高频谱利用率，增大通信容量。因此，有人认为轨道角动量复用技术有望成为下一代移动通信系统所采用的传输技术。 本文首先从轨道角动量涡旋波的发展背景说起，系统地介绍了轨道角动量涡旋波的研究背景和国内外现状，然后就轨道角动量涡旋波的基本理论和圆环形阵列产生涡旋波的机理作出了详细地理论推导和总结，为本文后续内容的开展提供了扎实的理论基础。 本文就轨道角动量涡旋波的产生方法作了详细地介绍和比较，就微波射频段的圆环形阵列天线产生轨道角动量涡旋波的方法作出了改进。利用单臂螺旋天线远场相位特性，即将单臂螺旋天线绕自身的轴线旋转，其远场处电场的幅度不变，相位的改变量与旋转角度保持一致。该天线的这一性质可提供相邻阵元间所需要的相位差，从而简化馈电网络，实现OAM模态的机械可重构特性。仿真设计了工作频段为1.73-9GHz的宽带圆极化单臂螺旋天线，利用8个相同的单臂螺旋天线组成圆环形阵列天线，馈电网络由一般的功分移相器简化为功分器，为8个阵元提供相位相等幅度相同的激励。本设计通过改变各单臂螺旋天线绕自身轴线的旋转角度，即可在3.4-4.7GHz的频段内产生不同模态的轨道角动量涡旋波。加工该圆环形天线阵，实验测试了该阵列各个模态时的反射系数、轴比以及远场方向图，均与仿真结果相吻合，最后在近场和远场条件下测试了该阵列的电场幅度、螺旋相位分布和远场方向图情况，均与理论分析的结果相符合，证明了该方法的正确性和有效性。 另外，本文就轨道角动量涡旋波的纯度、检测方法以及收发情况进行了相应的研究。由于相位的周期性导致圆环形阵列天线产生的轨道角动量涡旋波的模态不够纯净，而通信中需要的是模态纯净的轨道角动量涡旋波，因此对轨道角动量涡旋波的纯度分析就很有必要。接着，我们仿真分析了轨道角动量的两种检测方法：单点法和相位梯度法。最后，根据相应的参考文献设计了三发三收的轨道角动量涡旋波收发系统，仿真发现相同模态间的传输系数远高于不同模态间的传输系数，证实了不同模态的轨道角动量信道具有较好的隔离特性，有利于通信传输。 本文从传统的微带平面反射阵的原理出发，利用单臂螺旋天线的相位特征，理论推导了利用圆环形阵列天线产生主波束偏折的轨道角动量涡旋波时各个单臂螺旋天线需绕自身轴线的旋转角度。此外，利用内外两圈的圆环形阵列天线产生高低频段不同模态的轨道角动量涡旋波。 本文提出的基于单臂螺旋天线的机械可重构圆环形阵列天线结构，只需通过调控各个阵元绕自身轴线的旋转角度即可产生不同模态的轨道角动量涡旋波，这在无线电和微波卫星通信中有着极大的发展潜力。

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