0 引言

    近年來(lái)，為緩解頻譜資源緊張與無(wú)線業(yè)務(wù)需求日益增長(zhǎng)之間的矛盾,，各種無(wú)線電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,。其中，軌道角動(dòng)量(Orbital Angular Momentum,，OAM)技術(shù)獨(dú)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(wú)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(cè)了電磁場(chǎng)角動(dòng)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(dú)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(hào)在442 m外被成功接收,，初步驗(yàn)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(jì)也成為目前的重點(diǎn),。為此,，本文綜述了典型的OAM天線類型和具體實(shí)現(xiàn)形式，從實(shí)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(diǎn)，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(jiǎn)介

    長(zhǎng)期以來(lái)，無(wú)線通信的信息調(diào)制主要基于電磁場(chǎng)的線性動(dòng)量,，在時(shí)域,、頻域上進(jìn)行。然而,，如經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)理論所述,，電磁場(chǎng)不但傳播線性動(dòng)量,，也傳播角動(dòng)量J(Angular Momentum，AM)：

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

2 軌道角動(dòng)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(zhǎng),，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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí),，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(dú)立模塊拼接起來(lái)^[4]，精度較好,，實(shí)現(xiàn)了100 GHz上l=±10的OAM波傳輸,。

    目前，已有一種多信道SPP無(wú)線傳輸系統(tǒng)^[5]使用5個(gè)SPP,，實(shí)現(xiàn)了32 Gbit/s的總傳輸速率,。SPP產(chǎn)生OAM波原理簡(jiǎn)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(jì)算機(jī)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(gè)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(lì)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(gè)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(duì)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(duì)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(duì)比如圖4所示,，為了完全接收已因長(zhǎng)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(qiáng)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(qiáng)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(shí)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(shí)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(shí),，收發(fā)天線陣應(yīng)嚴(yán)格對(duì)正，使陣中心軸應(yīng)位于一條直線上,，否則信道容量會(huì)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(duì)于收發(fā)天線對(duì)正時(shí)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(shí)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(shí)時(shí)延時(shí)技術(shù)（OTTD）^[14-16]、時(shí)間選擇開關(guān)陣^[17-18]等方案,。

總體來(lái)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(jiǎn)單,。一種32 GHz的折疊式反射陣OAM天線已被實(shí)現(xiàn),，它通過每個(gè)微帶陣元引起的相位延遲來(lái)形成渦旋相位^[19]。

2.4 多點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(shí)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(lái)看,，多點(diǎn)饋電的圓形諧振腔天線結(jié)構(gòu)緊湊，饋電簡(jiǎn)單,，方向圖相對(duì)于UCA更接近于全向天線,；但實(shí)驗(yàn)顯示目前其傳輸距離仍然較近，離實(shí)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(jì)的亞波長(zhǎng)微結(jié)構(gòu)單元改變?nèi)肷淦矫娌ǖ碾姶盘匦裕瑥亩@得反射或透射的OAM波,。人工電磁表面工藝相對(duì)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(shí)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(zhǎng)期課題上,，OAM的應(yīng)用標(biāo)志著現(xiàn)代無(wú)線通信已向一個(gè)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(wú)線傳輸?shù)?。業(yè)界正致力于實(shí)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(kuò)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(duì)相位敏感,，遠(yuǎn)場(chǎng)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(duì)正^[10]。這將對(duì)OAM應(yīng)用于移動(dòng)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(shí)現(xiàn),。

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作者信息：

黨唯菓,，朱永忠，余  陽(yáng),，張葉楓

（武警工程大學(xué) 信息工程系,，陜西 西安710086）