0 引言

    近年來,，為緩解頻譜資源緊張與無線業(yè)務(wù)需求日益增長之間的矛盾,，各種無線電技術(shù)應(yīng)運而生。其中,，軌道角動量(Orbital Angular Momentum,，OAM)技術(shù)獨辟蹊徑，將傳統(tǒng)平面波扭曲成渦旋電磁波,，利用不同模態(tài)渦旋電磁波間的正交性增大無線通信容量，引起了學(xué)界的廣泛關(guān)注,。

    OAM的存在雖早已被理論證明,，但直至21世紀(jì)初才首先在光波段取得進(jìn)展：1909年，Poynting從理論預(yù)測了電磁場角動量的力學(xué)效應(yīng),；1992年,，Allen發(fā)現(xiàn)OAM是螺旋相位光束的自然屬性；2004年,，Gibson等人提出利用光的不同模態(tài)可進(jìn)行信息的獨立調(diào)制和傳輸,。隨著OAM在光通信中的應(yīng)用日趨成熟^[2]以及射頻頻譜資源日趨飽和，該技術(shù)開始被應(yīng)用于射頻段,。2011年,，同頻帶下不同OAM模的兩路信號在442 m外被成功接收，初步驗證了OAM提升信道容量的可行性^[1],。雖然還存在方向性欠佳,、遠(yuǎn)距離接收困難等局限，但OAM能極大提升頻譜利用率的可觀前景仍使相關(guān)研究方興未艾,，相應(yīng)收發(fā)天線的設(shè)計也成為目前的重點,。為此，本文綜述了典型的OAM天線類型和具體實現(xiàn)形式,，從實用角度總結(jié)了其各自方向圖,、接收、解復(fù)用等方面的優(yōu)缺點,，指出了OAM天線目前存在的問題和解決方案,，為下一步的發(fā)展提供參考。

1 OAM原理簡介

    長期以來,，無線通信的信息調(diào)制主要基于電磁場的線性動量,，在時域、頻域上進(jìn)行。然而,，如經(jīng)典電動力學(xué)理論所述,，電磁場不但傳播線性動量，也傳播角動量J(Angular Momentum,，AM)：

    角動量J由軌道角動量L和自旋角動量(Spin Angular Momentum,，SAM)S構(gòu)成：

2 軌道角動量天線的常見形式

2.1 螺旋相位板天線(Spiral Phase Plate，SPP)

    此種天線通過螺旋狀的空間結(jié)構(gòu),，扭曲入射平面電磁波的相位波前,，引入相位因子，使反射或透射波成為渦旋電磁波,。SPP示意圖如圖2所示,，這種方法直接源于光波段，是最早用于產(chǎn)生射頻OAM波的方法,。通過改變螺旋相位板階梯高度Δｈ,，可以產(chǎn)生多種模態(tài)值ｌ：

其中，ｌ為OAM模值,，λ是透射波波長,，n是相位板材料折射率。由于很難得到連續(xù)平滑的單階梯螺旋,，實際中多采用多階梯相位板的近似形式,。此外，SPP還有一種多孔結(jié)構(gòu),。多孔型相位板具有隨方位角變化的孔密度分布,，從而引起介電常數(shù)的變化，引入隨變化的相位延遲,。實驗發(fā)現(xiàn),，類似于SPP用幾何結(jié)構(gòu)引入螺旋相位的原理，由軸向模螺旋天線饋電的普通拋物面天線,，也可產(chǎn)生單模OAM波^[3],。

    當(dāng)模數(shù)較高時，Δｈ較大,，SPP的加工難度增大,，尤其是靠近傳播軸的圓心部分。一種模塊化的SPP由分別加工的獨立模塊拼接起來^[4],，精度較好,，實現(xiàn)了100 GHz上l=±10的OAM波傳輸。

    目前,，已有一種多信道SPP無線傳輸系統(tǒng)^[5]使用5個SPP,，實現(xiàn)了32 Gbit/s的總傳輸速率。SPP產(chǎn)生OAM波原理簡單，成本較低,，但復(fù)用,、解復(fù)用不夠方便，且波束能量分散,，難以遠(yuǎn)距離傳輸,。

2.2 透射光柵天線

    此種天線采取類似于SPP的思路，用透射光柵將平面波變?yōu)镺AM波,。用計算機仿真出所需OAM模的相位干涉圖案后,，再根據(jù)仿真數(shù)據(jù)即可鉆刻出相應(yīng)的介質(zhì)光柵。

2.3 陣列天線

2.3.1 等距圓陣（Uniform Circular Array,，UCA）

    產(chǎn)生OAM波的等距圓陣包含N個等距分布在圓周上的相同陣元,，相鄰陣元用等幅、相位差為的激勵饋電,，l為OAM模數(shù),，-N/2<l<N/2。在圓周上,，隨著從0到2π，N個陣元共引入2πl(wèi)的相位差,，形成螺旋形的相位波前,。2010年，正是基于UCA,，Mohammdadi等人首次系統(tǒng)地討論了產(chǎn)生射頻OAM的方法^[6],。目前UCA仍是OAM天線的主要結(jié)構(gòu)之一。UCA的一般形式如圖3所示,。

    UCA兩主瓣呈叉波束的形式,。隨著傳輸距離增加，能量迅速分散,，使OAM波接收困難,。對此，經(jīng)理論證明,，一種偏角孔徑接收(Partial Angular Aperture Receiving,，PAAR)的方法能用2π/N的角孔徑，對OAM模數(shù)為l+mN(l為基模,，m為整數(shù),，N為陣元數(shù))的諧波組正確接收并解復(fù)用^[7]。PAAR與全角孔徑接收(Whole Angular Aperture Receiving,，WAAR)對比如圖4所示,，為了完全接收已因長途傳輸散開的OAM波束，WAAR將使接收天線很大。

    減小叉波束夾角的一般的辦法有：增強陣元方向性,、增大UCA陣直徑等,。但UCA陣直徑越大，副瓣也越突出,。另外,，法布里-珀羅(Fabry-Perot，F(xiàn)P)腔也可以增強UCA的方向性,。置于FP腔后,，一種2.5 GHz的4元矩形貼片陣的增益被增大到16.2 dB^[8]。

    仿真一種6 GHz的8元維瓦爾第天線UCA時發(fā)現(xiàn),，由于陣元的寬帶特性,，此種UCA產(chǎn)生l=±1的OAM波時沒有叉波束^[9]。這是罕見的,，有待進(jìn)一步研究利用,。

    UCA傳輸OAM波時，收發(fā)天線陣應(yīng)嚴(yán)格對正,，使陣中心軸應(yīng)位于一條直線上,，否則信道容量會顯著降低，螺旋相位波前將被嚴(yán)重破壞,，最低可使信道容量相對于收發(fā)天線對正時下降9.5~10 bps/Hz^[10],。

    另外，UCA的移相饋電網(wǎng)絡(luò)也將增加實際系統(tǒng)的復(fù)雜度,。目前UCA饋電主要有微帶線^[11-12],、巴特勒矩陣^[13]、光實時延時技術(shù)（OTTD）^[14-16],、時間選擇開關(guān)陣^[17-18]等方案,。

總體來說，UCA結(jié)構(gòu)復(fù)雜,，產(chǎn)生的OAM叉波束夾角較大,，遠(yuǎn)距離接收、解復(fù)用比較困難,。

2.3.2 反射陣

    此種陣列天線用單饋源向周期性單元組成的反射面饋電,，以獲得反射的OAM波。反射陣不需要移相饋電網(wǎng),，結(jié)構(gòu)比UCA簡單,。一種32 GHz的折疊式反射陣OAM天線已被實現(xiàn)，它通過每個微帶陣元引起的相位延遲來形成渦旋相位^[19],。

2.4 多點饋電的圓形諧振腔天線

    在圓形諧振腔中,，兩種本征模疊加可形成成OAM模,；因此，多點饋電的圓形諧振腔可作為OAM波天線,。此外,，依據(jù)類似的原理，單點饋電的橢圓形諧振腔^[20]和介質(zhì)諧振器^[21]也能產(chǎn)生OAM波,?；诎肽；刹▽?dǎo)的雙模OAM天線結(jié)構(gòu)如圖5所示^[22-23],。

    一種基于環(huán)形諧振腔的雙?？p隙天線已應(yīng)用于毫米波段，能同時在同一方向產(chǎn)生l=±3的OAM波,，且有較好的方向性^[24],。

    總體來看，多點饋電的圓形諧振腔天線結(jié)構(gòu)緊湊,，饋電簡單,，方向圖相對于UCA更接近于全向天線；但實驗顯示目前其傳輸距離仍然較近,，離實用尚有差距,。

2.5 人工電磁表面天線

    不同于SPP通過幾何形狀引入螺旋相位的方法，人工電磁表面天線通過人工設(shè)計的亞波長微結(jié)構(gòu)單元改變?nèi)肷淦矫娌ǖ碾姶盘匦?，從而獲得反射或透射的OAM波,。人工電磁表面工藝相對復(fù)雜，可靈活調(diào)節(jié)入射波的極化,、相位等特性，結(jié)構(gòu)扁平易集成,，應(yīng)用前景廣闊,。圖6所示為一種電磁超表面，可同時反射出兩種模態(tài)(l=1,，2)的水平,、垂直極化OAM波^[25]。

3 總結(jié)與展望

    在如何提高頻譜資源利用率這一長期課題上,，OAM的應(yīng)用標(biāo)志著現(xiàn)代無線通信已向一個全新的方向邁出了第一步,。當(dāng)前，射頻OAM的應(yīng)用基本限于高頻（如光波,、毫米波）短距離通信,，如室內(nèi)環(huán)境的高速無線傳輸?shù)取I(yè)界正致力于實現(xiàn)1 000 m內(nèi)視距條件下OAM的可靠傳輸,，高效可靠的天線是其中的關(guān)鍵,。本文在綜述當(dāng)前典型的OAM天線后認(rèn)為,，OAM走向?qū)嵱茫谔炀€方面還有如下問題：

    方向圖特性欠佳,。大多數(shù)OAM天線的方向圖都呈現(xiàn)不同程度的叉波束,，使天線增益難以擴大，傳輸距離難以提升,，接收天線難以小型化,。改善天線的方向圖是當(dāng)前最直接的任務(wù)。

    抗干擾能力欠佳,。OAM系統(tǒng)對相位敏感,，遠(yuǎn)場區(qū)可承受的相位誤差典型值約為π/8^[6]，為此通常要求收發(fā)天線嚴(yán)格對正^[10],。這將對OAM應(yīng)用于移動通信產(chǎn)生重大限制,。一種能在復(fù)雜環(huán)境下可靠解復(fù)用的接收天線亟待實現(xiàn)。

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作者信息：

黨唯菓，朱永忠,，余  陽,，張葉楓

（武警工程大學(xué) 信息工程系，陜西 西安710086）