渦旋電磁波跨海遠(yuǎn)距離傳播特性研究

曹仲晴，林樂科，郭立新，梁仙靈

(1.西安電子科技大學(xué)，陜西 西安 710000； 2.電波環(huán)境特性及模化技術(shù)重點實驗室，山東 青島 266107) 3.上海交通大學(xué)，上海200000)

0 引言

渦旋電磁波是一種具有軌道角動量的電磁波，其波前相位呈現(xiàn)渦旋特性，因具有廣泛應(yīng)用潛力，渦旋波引起了廣泛關(guān)注。1992年荷蘭物理學(xué)家Allen理論上預(yù)言了攜帶螺旋相位因子exp(ilφ)的LG波攜帶軌道角動量(OAM)[1]。2012年，Tamburini和Thide采用一種螺旋拋物面天線和八木天線實驗驗證了攜帶OAM 信息的低頻段渦旋電磁場在無線通信信息傳輸中的可行性，引起了渦旋電磁波研究的熱潮[2]。2012年，Alan Tennant仿真了使用時間開關(guān)陣列天線可產(chǎn)生渦旋電磁波[3]。2013年法國雷恩第一大學(xué)設(shè)計了工作于60 GHz 的渦旋相位板用于產(chǎn)生l=1的渦旋電磁波[4]。2014年，南加州大學(xué)采用渦旋電磁波使信道容量變?yōu)樵鹊?倍[5]。國內(nèi)研究人員在渦旋電磁波領(lǐng)域也開展了大量研究，其中上海交大、西安電子科技大學(xué)、東南大學(xué)等高校取得了較多成果[6-8]。顧磊設(shè)計了X波段渦旋電磁波陣列天線[9]，唐波分析了生成渦旋電磁波環(huán)形相控陣的耦合特性[10]。

然而，目前較遠(yuǎn)距離渦旋波通信應(yīng)用研究依然較少?；诠_發(fā)表的文獻(xiàn)，在遠(yuǎn)距離情況下，Tamburini在威尼斯進(jìn)行了442 m通信實驗。清華大學(xué)進(jìn)行的27.5 km OAM 測試見于新聞報道，但相關(guān)工作沒有在科技文獻(xiàn)中出現(xiàn)。

本文研究了渦旋電磁波跨海遠(yuǎn)距離傳播特性。首先，對電波傳播原理與測試方法進(jìn)行了簡介；其后，基于實驗數(shù)據(jù)分析了10 GHz渦旋波在3.7，7 km距離跨海傳播時的波前相位特性；最后，對實驗進(jìn)行了總結(jié)并對進(jìn)一步工作進(jìn)行了展望[11]。

1 電波傳播原理與測試簡介

1.1 電波傳播原理

渦旋電磁波在遠(yuǎn)距離跨海面?zhèn)鞑r，會受到大氣折射、大氣湍流與海面的影響。大氣折射使渦旋波傳播方向產(chǎn)生偏移，當(dāng)有海面大氣波導(dǎo)存在時可能使渦旋電磁波陷獲在大氣波導(dǎo)中，其波前特性可能發(fā)生很大變化；大氣湍流可引起渦旋波波前相位擾動，使渦旋波波前相位特性退化；海面散射也是導(dǎo)致渦旋波波前特性退化的一個重要因素[12]。大氣折射理論建模方法有射線描跡方法與拋物方程方法，大氣湍流影響建模有相位屏方法，海面的散射有理論模型、半經(jīng)驗?zāi)Ｐ团c數(shù)值方法。理論結(jié)果與實測結(jié)果有較大差異，實驗方法是研究跨海傳播特性最直接有效的方法。

1.2 測試簡介

2018年4月20日，利用專用測試系統(tǒng)在青島海域進(jìn)行了10 GHz渦旋電磁波傳播跨海測試實驗。渦旋波天線為0.6 m拋物面天線，可以發(fā)射不同模態(tài)的渦旋波(模態(tài)0±1±2±3±4)。利用渦旋波產(chǎn)生單元作為饋源，0.6 m拋物面天線對發(fā)射波束進(jìn)行聚焦，得到了適用于遠(yuǎn)距離傳播測試的窄波束渦旋電磁波。

利用專用測試系統(tǒng)對遠(yuǎn)距離渦旋波波前相位實施測量，測試系統(tǒng)包括發(fā)射端與接收端2部分，如圖1(a)所示。發(fā)射端發(fā)射2路相干單頻信號，一路為左旋圓極化平面波參考信號，另一路為右旋圓極化渦旋波信號，渦旋波與平面波通過相互正交的2種極化實現(xiàn)極化分離。接收端分別利用左旋圓極化、右旋圓極化平面波天線接收平面波與渦旋波的波前相位與幅度。2路信號輸入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，利用矢網(wǎng)的比值測量功能，得到2路信號的相位差。以一定的角度間隔(20°模態(tài)1，10°模態(tài)2)轉(zhuǎn)動渦旋波饋源一周，測量相位差曲線。由于在轉(zhuǎn)動渦旋波饋源一周過程中平面波波前相位不變，相位差的改變即為渦旋電磁波在不同角度波前變化。如圖1(b)、圖1(c)所示，測量軌跡為白色虛線處場分布。對于模態(tài)為1的渦旋波，一周相位變化為360°；模態(tài)為2的渦旋波一周相位變化為720°。本文涉及的2條實驗鏈路都位于青島南海岸一線，其中一條鏈路長度約為3.7 km，另一條鏈路長度約為7 km，2條鏈路的發(fā)射端都在石老人浴場附近，3.7 km長度鏈路接收點在雕塑園附近，7 km鏈路長度的接收點在小麥島。實驗發(fā)射、接收點之間下墊面為海面，保證了基于實驗數(shù)據(jù)分析渦旋電磁波跨海遠(yuǎn)距離傳播特性的有效性。

圖1 渦旋電磁波波前相位測量系統(tǒng)與測量軌跡

2 測試數(shù)據(jù)與結(jié)果分析

測試了3.7，7 km兩條鏈路的渦旋波相位分布。實驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 波前相位

圖2(a)為3.7 km鏈路，模態(tài)1，2的波前相位分布圖；圖2(b)為7 km鏈路，模態(tài)1的相位分布圖，其中橫坐標(biāo)為渦旋波饋源旋轉(zhuǎn)的角度，縱坐標(biāo)為平面波參考信號與渦旋波的波前相位差。

由圖2(a)可以看出，3.7 km鏈路在渦旋波饋源旋轉(zhuǎn)一周過程中，模態(tài)1相位變化720°；模態(tài)2相位變化為1 080°，這是由于本實驗天線極化為圓極化，在旋轉(zhuǎn)一周時，極化變化貢獻(xiàn)為360°，可見，在3.7 km距離渦旋波跨海鏈路中，渦旋模態(tài)1，2可以保持渦旋波前相位特征。7 km距離鏈路，通過模態(tài)1數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，其依然保持渦旋波前相位特征，如圖2(b)所示。實驗期間，3.7 km時，渦旋波波前相位起伏RMS約為2°，在7 km時，渦旋波起伏RMS不大于5°?？梢姡S著距離增大，渦旋波前相位起伏變大，這是由于大氣湍流與海面起伏的影響。在7 km時，渦旋波波前相位依然呈現(xiàn)渦旋特性，可以利用多點相干接收的方式分離各種模態(tài)進(jìn)而實現(xiàn)軌道角動量域復(fù)用。

引起測量誤差的主要因素有：設(shè)備誤差、平臺抖動、對準(zhǔn)誤差和海面去極化誤差。設(shè)備誤差實驗室結(jié)果小于1°；平臺抖動誤差為慢變化，具有周期性、量級小、可消除的特點；對準(zhǔn)誤差會導(dǎo)致信號接收電平低、相位抖動變劇烈，測量開始收發(fā)端天線前必須精確對準(zhǔn)；海面去極化效應(yīng)也會導(dǎo)致測量誤差增大。以上因素引起的誤差可以消除或量級較小，不影響結(jié)果的正確性。

3 結(jié)束語

基于青島南海岸一線的2條渦旋電磁波跨海傳播測試鏈路結(jié)果，分析了10 GHz渦旋波在3.7，7 km距離貼海面?zhèn)鞑サ牟ㄇ跋辔惶匦?。發(fā)現(xiàn)10 GHz渦旋波在3.7 km距離上可以保持波前渦旋相位特性，起伏??；在7 km的距離上也可以保持波前渦旋相位特征，相位起伏不大于5°。相位起伏對波前渦旋相位特性保持影響不大，可以利用多點相干接收分離各種模態(tài)成分實現(xiàn)軌道角動量域復(fù)用。隨著跨海距離變大，波前相位起伏變大，波前渦旋特性將變差，更遠(yuǎn)距離的渦旋波跨海傳播特性測量與研究是下一步的工作方向。