渦旋電磁波天線技術(shù)研究進展

郭忠義 汪彥哲 鄭 群 尹超逸 楊 陽 宮玉彬

①(合肥工業(yè)大學(xué)計算機與信息學(xué)院 合肥 230009)

②(電子科技大學(xué)微波電真空器件國家重點實驗室 成都 610054)

1 引言

隨著現(xiàn)代社會科技的快速發(fā)展以及無線通信用戶的不斷增加，固定的頻帶帶寬范圍逐漸限制了無線通信技術(shù)的發(fā)展。因此，相關(guān)學(xué)者為了能夠?qū)崿F(xiàn)更高的頻率利用率，進行了很多的研究與探索。近年來，軌道角動量(Orbital Angular Momentum,OAM)由于其模式的無限性以及模式之間的正交性[1]，對于擴大信道容量具有重要的意義，從而受到研究學(xué)者的廣泛關(guān)注。人類剛開始對軌道角動量的認知來自于光學(xué)領(lǐng)域，20世紀初期，坡印廷[2]從理論上預(yù)測了與圓極化電磁場相關(guān)的自旋角動量的力學(xué)效應(yīng)，此后，Beth[3]在20世紀30年代進行了實驗驗證。在20世紀70年代，M.V.Berry等人[4,5]提出并發(fā)展了相位位錯、相位奇點、渦旋光束等概念，并在此后進行了進一步的研究[6–10]，逐漸豐富了渦旋光的理論、產(chǎn)生及相關(guān)特性。1992年，荷蘭物理學(xué)家Allen[11]發(fā)現(xiàn)拉蓋爾高斯(Laguerre-Gauss,LG)光束所構(gòu)成的渦旋激光束中具有軌道角動量，并清晰的確定了軌道角動量與渦旋拓撲荷之間的關(guān)系。此后，多個課題組在關(guān)于各種光學(xué)渦旋產(chǎn)生方案[12–16]、光學(xué)渦旋操控微納粒子[17–21]、渦旋光微加工[22]、光子軌道角動量量子糾纏特性[23–25]、光學(xué)渦旋傳播特性[26,27]等方面進行了大量的研究。同時，由于渦旋光束中OAM態(tài)(渦旋拓撲荷)具有無限取值可能性及其相互之間的正交性，從而可以為光通信系統(tǒng)提供一種全新型的物理自由度，被認為是下一代光通信網(wǎng)絡(luò)一個十分重要的研究方向。近些年，OAM復(fù)用系統(tǒng)在擴大光通信系統(tǒng)信道容量方面已經(jīng)表現(xiàn)出了良好的性能[28–30]。同時，在無線通信領(lǐng)域也面臨信道容量擴大的應(yīng)用需求，因此，很多學(xué)者認為OAM復(fù)用系統(tǒng)在射頻段無線通信系統(tǒng)中也應(yīng)該具有擴大信道容量的特性及巨大潛力，并對此展開了一系列的研究。2011年，意大利Tamburini等人[31]首次在射頻波段成功實現(xiàn)了基于兩個不同模式的軌道角動量的無線通信的實驗。此后，如何將軌道角動量更好地應(yīng)用到無線通信領(lǐng)域一直是廣大研究人員的研究重點[32–34]。渦旋電磁波天線不僅在無線通信領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，在雷達成像與檢測方面也具有巨大的潛在應(yīng)用價值，2013年國防科技大學(xué)郭桂蓉課題組[35]首次提出了基于渦旋電磁波天線的雷達成像方法，利用渦旋電磁波可以實現(xiàn)目標成像在方位角向上的超分辨，可以為超分辨雷達成像提供一種新的技術(shù)途徑。自此以后，為了提高成像分辨率以及擴大成像維度，國內(nèi)相關(guān)學(xué)者分別提出了一些基于渦旋電磁波天線的雷達成像算法的改進措施[36–38]。渦旋電磁波的旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)可以實現(xiàn)目標旋轉(zhuǎn)速度的高效檢測，并且一系列的實驗也驗證了該方法的可行性[39,40]；此外，一些學(xué)者也開始將渦旋電磁波天線與醫(yī)學(xué)成像相結(jié)合，作為一種新型的疾病檢測手段[41]。

所有渦旋電磁波的應(yīng)用，都必須建立在所需求的渦旋電磁波存在的基礎(chǔ)上，所以如何高效產(chǎn)生所需要的渦旋電磁波是該研究領(lǐng)域的研究基礎(chǔ)，近些年來，也有很多的研究人員提出多種方法在射頻波段產(chǎn)生渦旋電磁波。20世紀90年代，Turnbull等人[42]利用螺旋相位板，首次產(chǎn)生了毫米波頻段的渦旋電磁波；2007年，B.Thidé等人[43]提出用圓形陣列天線調(diào)相的方法產(chǎn)生無線電頻率的渦旋波，將渦旋電磁波的研究推廣到更低頻段。2018年，李龍等人[44]對渦旋電磁波的基本理論、傳播以及應(yīng)用已經(jīng)進行了歸納，本文針對射頻領(lǐng)域OAM渦旋電磁波天線更進一步地進行了較為全面的總結(jié)，主要介紹4種不同形式天線生成渦旋電磁波，包括有源的單一微帶貼片天線、行波天線、陣列天線，以及無源的超表面天線，被設(shè)計出來產(chǎn)生不同特性的OAM電磁波。單一微帶貼片天線由于其結(jié)構(gòu)相對簡單、尺寸較小以及制作成本較低的優(yōu)勢，在產(chǎn)生渦旋電磁波方面受到研究者的關(guān)注；行波天線可以在寬帶范圍內(nèi)產(chǎn)生多OAM模式的渦旋電磁波，這一優(yōu)點也恰恰能夠滿足通信系統(tǒng)擴大信道容量的要求，許多研究人員為了使系統(tǒng)更加實用化，所以在行波天線領(lǐng)域也進行了大量的研究；而陣列天線是現(xiàn)如今飛機以及雷達上應(yīng)用最廣泛的天線種類之一[45–48]，也是射頻波段產(chǎn)生OAM的主要方式，通過饋電，可以實現(xiàn)多OAM態(tài)的切換，但這種設(shè)計的難點在于其復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)，很多研究人員對這種相控陣的饋電網(wǎng)絡(luò)做了設(shè)計和優(yōu)化的工作；超表面是由亞波長大小周期性排列的超材料共振器組成，它可以通過改變共振器的形狀和大小來實現(xiàn)電磁波振幅或相位上的突變，通過空間上合理排列超表面結(jié)構(gòu)，可以有效產(chǎn)生、調(diào)控渦旋電磁波，相較于傳統(tǒng)相控陣天線而言，超表面天線具有剖面低、饋電系統(tǒng)簡單和易于波束成形等優(yōu)點[49]，但是存在陣列單元數(shù)量龐大、結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜以及體積笨重等缺陷，仍然需要進一步優(yōu)化、研究。

總之，隨著渦旋電磁波天線研究的不斷深入，在射頻波段結(jié)構(gòu)簡單、整體剖面較低、易集成，并且能夠在同一頻率下生成多種模式軌道角動量的天線結(jié)構(gòu)已成為渦旋電磁波天線日后發(fā)展的必然趨勢。本文內(nèi)容總共分為4個部分，第1部分為引言，概述了渦旋電磁波的起源、發(fā)展歷程、及應(yīng)用趨勢；第2部分對渦旋電磁波理論基礎(chǔ)進行了描述，將其與軌道角動量之間的關(guān)系做了說明，并給出了軌道角動量的基本概念和特性；第3部分重點介紹了單一微帶貼片天線、行波天線、陣列天線以及超表面天線產(chǎn)生渦旋電磁波技術(shù)的研究進展，概括了每種類型天線所存在的優(yōu)缺點，繼而在這4類天線的基礎(chǔ)上對今后的發(fā)展進行了總結(jié)和展望；第4部分簡單概括了渦旋電磁波天線技術(shù)未來的應(yīng)用前景，以及該研究領(lǐng)域未來的重點和難點。

2 渦旋電磁波理論基礎(chǔ)

無線電技術(shù)因?qū)崿F(xiàn)了對信息的便捷傳輸而蓬勃發(fā)展，隨著當(dāng)下5G時代的來臨，以及人們的生活日益信息化和智能化，不斷增多的通信業(yè)務(wù)使得不可再生的頻譜資源日益緊缺。渦旋電磁波因攜帶有OAM這一繼時域、頻域、碼域之外的新的自由度而受到人們的廣泛關(guān)注。理論上，在任意頻率下渦旋電磁波都具有無窮多個互不干擾的正交模態(tài)，利用這一正交模態(tài)可以有效地提升頻譜效率與通信容量，因此渦旋電磁波逐漸成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點。

由經(jīng)典電磁理論可知，電磁波在傳輸?shù)倪^程中不僅攜帶有能量，而且還存在動量。與經(jīng)典力學(xué)相似，電磁角動量定義為J=r×P，電磁場中線動量的密度可以定義為p=ε0(E×B)。通過上述對角動量的定義，推導(dǎo)出角動量密度的方程可以表示為M=ε0r×(E×B)。得到總的角動量J，必須要對角動量密度的方程進行積分，可得

其中，ε0是真空介電常數(shù)，E和B分別代表電場強度和磁場強度。在經(jīng)典力學(xué)和原子物理學(xué)中，角動量可以分解成自旋角動量和軌道角動量，即J=L+S，公式中L代表軌道角動量，S代表自旋角動量。而S和L可以分別表示為

其中，A是矢量位，可以表示為：通常來說，電磁場的自旋角動量與圓極化狀態(tài)有關(guān)，而軌道角動量與電磁場的空間結(jié)構(gòu)(比如相位結(jié)構(gòu)、偏振結(jié)構(gòu)等)有關(guān)。

在光學(xué)中，Allen等人[11]提出了光子軌道角動量的概念，并證明了拉蓋爾高斯光束中含有空間相位項，對應(yīng)于軌道角動量，并且對應(yīng)數(shù)值為l?。典型的拉蓋爾高斯光束光場分布可以表示為

其中，l為OAM模式數(shù)，或稱作拓撲荷數(shù)，p為徑向模式值，代表沿半徑方向的相位變化。,w0是高斯項光束半徑，表示瑞利距離，為拉蓋爾多項式。由于光束攜帶了相位因子，其波前相位便不再是連續(xù)的平面或球面分布，而具有螺旋結(jié)構(gòu)。同樣，貝塞爾(Bessel)光束也具有類似的螺旋相位結(jié)構(gòu)[50]，表達式為

其中，α是橫向波數(shù)，l為貝塞爾函數(shù)的階數(shù)，也是BG光束的OAM模式數(shù)。攜帶有不同OAM模式數(shù)的LG光束和BG光束均滿足相互正交性，因此在光通信領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注和研究。

受光頻段OAM模式產(chǎn)生的啟發(fā)，B.Thidé等人[43]將OAM引入微波頻段，提出電磁渦旋的概念，將具有軌道角動量的電磁波稱為渦旋電磁波。常規(guī)球面電磁波其能量由中心向外呈現(xiàn)輻射狀，在以能量中心為原點的環(huán)形波束上，其相位是一個固定值，相位波前是平面或球面。對于渦旋電磁波，其能量呈現(xiàn)環(huán)狀，在以能量中心為原點的環(huán)形波束上，其相位呈現(xiàn)均勻分布，環(huán)上任意兩點之間存在著與拓撲荷相關(guān)的相位梯度，并且其相位波前為螺旋狀。同時，在渦旋電磁波垂直于傳播軸方向的中心點上具有相位不確定的特性，也被稱之為相位奇點，所以渦旋波中心位置的電場強度為零。而當(dāng)拓撲荷數(shù)為0時，相位和幅值分布呈現(xiàn)平面波或球面波分布，沒有螺旋相位結(jié)構(gòu)，也不存在相位奇點，如圖1所示。

3 4種常見渦旋電磁波天線

渦旋電磁波天線已成為當(dāng)前天線研究領(lǐng)域的一大熱門話題，多種結(jié)構(gòu)形式的天線已經(jīng)被用于實現(xiàn)渦旋電磁波的產(chǎn)生。本文將探討有源的單一微帶貼片天線、行波天線、陣列天線以及無源的超表面天線這4種形式的天線生成OAM的方法，并分析它們所展現(xiàn)出的各自獨特的優(yōu)勢以及未來的發(fā)展趨勢。

3.1 單一微帶貼片天線生成OAM

單一微帶貼片天線由于其結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)，大大地降低了制作成本，因此在射頻波段生成軌道角動量方面具有較高的研究意義。單一微帶貼片天線產(chǎn)生軌道角動量主要分為兩種方式：第1種是單饋點輸入，通過改變天線結(jié)構(gòu)讓電流在天線單元上至少能夠產(chǎn)生360°的相位變化，從而輻射出渦旋電磁波；第2種是雙饋點輸入，通過改變天線輸入電流的相位差異和幅度大小使其能夠滿足產(chǎn)生渦旋電磁波的條件。一般來說，單饋點輸入相對于多饋點輸入的天線結(jié)構(gòu)更為簡單，操作起來也比較方便，在節(jié)約成本上具有更明顯的優(yōu)勢。

通過單饋點和雙饋點給單一的微帶貼片天線饋電產(chǎn)生軌道角動量按照天線結(jié)構(gòu)又可以劃分為規(guī)則形狀、不規(guī)則形狀以及環(huán)形嵌套結(jié)構(gòu)等。目前，對于不規(guī)則形狀來說，典型的代表是利用單饋點饋電的F形結(jié)構(gòu)[51]，如圖2(a)所示，給出了對應(yīng)的結(jié)構(gòu)原理圖、實物圖以及仿真相位分布圖，通過多個不規(guī)則的F形結(jié)構(gòu)組成陣列與移相器相結(jié)合產(chǎn)生渦旋電磁波，但是這種結(jié)構(gòu)存在明顯的缺點，需要借助額外的移相器實現(xiàn)各個單元上的相位改變，這樣大大地增加了制作成本；而對于利用規(guī)則形狀的單微帶貼片來說，實現(xiàn)軌道角動量的方式更為簡單，并且不需要組成陣列和借助額外的移相器，例如規(guī)則的橢圓形結(jié)構(gòu)[52]和規(guī)則的正八邊形結(jié)構(gòu)[53]，如圖2(b)、圖2(c)所示，通過單個饋點給天線輸入電流使其產(chǎn)生不同的諧振模式，從而輻射出相對應(yīng)的渦旋電磁波，相對于不規(guī)則形狀生成渦旋電磁波的方法，這種形式大大地降低了制作成本。而圖2(b)、圖2(c)所示規(guī)則天線結(jié)構(gòu)可以通過改變饋電在天線結(jié)構(gòu)上的位置使得能輻射出兩種不同模式的軌道角動量；為了能夠?qū)崿F(xiàn)在同一結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生不同的OAM模式，提出一個簡單的一分二型功分網(wǎng)絡(luò)[54]，如圖2(d)所示，通過雙饋點給圓形微帶貼片天線輸入等幅相位相差90°的電流，在不同頻率下激發(fā)不同簡并模，最終使得天線能夠在不同頻率下同時產(chǎn)生不同模式的軌道角動量，也就是在1.62 GHz下能夠產(chǎn)生的拓撲荷數(shù)為1，在2.73 GHz下能夠產(chǎn)生的拓撲荷數(shù)為2，以此解決了一個結(jié)構(gòu)對應(yīng)只存在一種拓撲荷的缺點，但由于不同模式拓撲荷在同時存在同頻率下，進而造成了產(chǎn)生軌道角動量模式純度不是很高的缺陷，所以這也需要再做進一步研究。

圖1 不同模式OAM波束圖Fig.1 Different modes OAM beam pattern

圖2 單一微帶貼片天線Fig.2 Single microstrip patch antenna

上述幾種典型的不規(guī)則以及規(guī)則的單微帶貼片天線通過單饋點和雙饋點能夠產(chǎn)生不同模式的拓撲荷，但在射頻波段對渦旋電磁波產(chǎn)生最終的研究方向是為了能夠在同一頻點下產(chǎn)生不同模式的拓撲荷，以此能夠有效增加通信的信道容量。所以在上述幾種結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，相關(guān)學(xué)者通過采用單饋點和雙饋點饋電的環(huán)形嵌套的單微帶貼片天線實現(xiàn)在同一頻率下產(chǎn)生不同的拓撲荷，如圖2(e)所示，提出一種采用雙饋點環(huán)形嵌套結(jié)構(gòu)[55]，控制環(huán)形結(jié)構(gòu)尺寸大小與饋電位置之間的關(guān)系，使得能夠在同一頻率下產(chǎn)生不同模式的拓撲荷，但是這種結(jié)構(gòu)相對來說比較復(fù)雜，每一個環(huán)形結(jié)構(gòu)都需要采用兩個饋點。為了減化結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，提出了一種單饋點環(huán)形嵌套結(jié)構(gòu)[56]，如圖2(f)所示，分別給每一個環(huán)形結(jié)構(gòu)單獨進行饋電，最終使得在4.65～5.20 GHz下能夠同時產(chǎn)生拓撲荷模式數(shù)2和3的渦旋電磁波，但是這種結(jié)構(gòu)由于是多個環(huán)形進行嵌套，從圖2(f)的實測相位分布圖可以看出，這種天線結(jié)構(gòu)雖然能夠在較寬范圍內(nèi)同時存在兩種不同模式，但是兩個環(huán)形結(jié)構(gòu)之間距離相距較近，隔離度不高，所以造成兩種模式的純度都不是很高，這也需要研究者繼續(xù)做更多的探索。

2019年，合肥工業(yè)大學(xué)郭忠義課題組[57]提出一種圓錐共形的環(huán)形貼片天線結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同模式的渦旋電磁波，如圖3所示，采用單饋點輸入的環(huán)形天線結(jié)構(gòu)保留了結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢，通過改變饋電位置可以在同一頻點輻射出不同模式軌道角動量，在環(huán)形結(jié)構(gòu)上挖去矩形凹槽可以使得天線輻射出不同模態(tài)的圓極化波，更重要的是，采用這種圓錐共形結(jié)構(gòu)的介質(zhì)基底形狀可以提高天線的增益，最后通過實驗結(jié)果與仿真結(jié)果的對比驗證了該設(shè)計的可靠性，這種結(jié)構(gòu)也是現(xiàn)有使用單一的微帶貼片天線產(chǎn)生高增益、不同模式軌道角動量的一種嶄新的技術(shù)途徑。后續(xù)還可以將該結(jié)構(gòu)與意大利羅馬尼科洛庫薩諾大學(xué)團隊做的嵌套結(jié)構(gòu)[58]相互結(jié)合起來，可以在環(huán)形結(jié)構(gòu)上同一頻率下產(chǎn)生高增益、攜帶多個不同模式的拓撲荷。表1給出了以上介紹的單一微帶貼片天線產(chǎn)生渦旋電磁波對應(yīng)的主要性能參數(shù)。

3.2 行波天線生成OAM

圖3 圓錐共形貼片天線[57]Fig.3 Conical conformal patch antenna[57]

表1 單一的微帶貼片天線結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的渦旋電磁波的性能Tab.1 Performances of generating vortex electromagnetic waves a single microstrip patch antenna structure

2015年，浙江大學(xué)鄭史烈教授等人[59]提出了一種圓形行波天線用來產(chǎn)生OAM波，天線結(jié)構(gòu)由一個金屬環(huán)形縫隙腔和兩個饋電端口構(gòu)成，饋入等幅、相位相差90°的信號，在金屬環(huán)形腔內(nèi)部激發(fā)行波電流分布，產(chǎn)生的電磁波從腔體頂部的小環(huán)形槽輻射出去，如圖4(a)所示，隨后，他們在腔體的窄邊外沿加了環(huán)形喇叭結(jié)構(gòu)使能量集中輻射[60]，如圖4(b)所示。與此同時，為解決射頻波段OAM模式之間復(fù)用的難題，該團隊又采用了2個環(huán)形金屬腔[61]，如圖4(c)所示，實現(xiàn)4個OAM波束的復(fù)用，同時添加了2個反射板提高天線的增益和定向性，減小了OAM發(fā)散角，使渦旋電磁波傳輸距離更遠。

這種環(huán)形諧振腔的行波天線僅可以產(chǎn)生1組對應(yīng)模式，且僅可以在窄帶范圍內(nèi)產(chǎn)生渦旋波，這大大限制了OAM模式的正交復(fù)用性。為了利用軌道角動量來提高電磁波的頻譜利用率和成像分辨率，如何產(chǎn)生寬帶多OAM模式復(fù)用的渦旋電磁波，一直是研究者的關(guān)注重點之一。而螺旋形行波天線由于其本身的非頻變特性和易嵌套的特點，可以被用來產(chǎn)生寬帶多OAM模式的渦旋電磁波，因此更加受到人們的關(guān)注。

文獻[62]利用單臂阿基米德平面螺旋天線在不同頻帶范圍產(chǎn)生不同OAM模式的渦旋電磁波，采用環(huán)形電流環(huán)原理，從理論上推導(dǎo)證明了阿基米德平面天線產(chǎn)生渦旋場的可能性，并通過仿真和實驗分別進行了驗證。所設(shè)計的單臂阿基米德平面螺旋天線可以分別在1.30～3.25 GHz,3.45～6.10 GHz以及6.25～10.50 GHz范圍內(nèi)產(chǎn)生OAM模式為1,2和3的渦旋電磁波，具體結(jié)構(gòu)及實驗結(jié)果如圖5(a)所示。文獻[63]提出一種小型化的嵌套立體螺旋天線，如圖5(b)所示，采用柔性介質(zhì)材料來加載螺旋天線，并在保證一定隔離度的前提下實現(xiàn)雙環(huán)嵌套，可在4.80～5.20 GHz產(chǎn)生OAM模式數(shù)為2和3的渦旋電磁波，實現(xiàn)同頻段的OAM模式復(fù)用。如圖5(c)所示的四臂等角平面螺旋天線結(jié)構(gòu)[64]，可在一定的帶寬范圍內(nèi)實現(xiàn)4種OAM模式渦旋電磁波的產(chǎn)生。

基于上述研究，2019年合肥工業(yè)大學(xué)郭忠義課題組[65]提出了一種基于內(nèi)外臂端雙饋電的雙臂阿基米德螺旋天線，如圖6所示，可以實現(xiàn)在不同頻點產(chǎn)生不同OAM模式的渦旋電磁波，以及在相同頻點實現(xiàn)不同OAM模式，通過改變內(nèi)外饋電方式實現(xiàn)相反OAM模式的產(chǎn)生。最終該結(jié)構(gòu)在3.00 GHz,4.00 GHz以及4.80 GHz的頻點下產(chǎn)生OAM模式數(shù)為±1,±2和±3的渦旋電磁波。同時，在此基礎(chǔ)上還進一步通過加腔的方式提高了增益(6.70～10.00 dB)和減小了發(fā)散角，增大渦旋電磁波的傳輸距離，以適用于OAM多路復(fù)用通信系統(tǒng)。

圖4 諧振腔行波天線Fig.4 Cavity traveling wave antenna

圖5 螺旋行波天線Fig.5 Spiral traveling wave antenna

圖6 內(nèi)外雙饋雙臂阿基米德螺旋天線[65]Fig.6 Inner and outer dual-fed dual-arm archimedean spiral antenna[65]

圖7 立體螺旋天線[66]Fig.7 Three-dimensional helical antenna[66]

同年，郭忠義課題組[66]還提出了另外一種立體螺旋渦旋電磁波天線，結(jié)構(gòu)如圖7(a)所示。通過理論分析模式數(shù)與螺旋尺寸以及波長的關(guān)系，最終在0.76 GHz,1.55 GHz,2.45 GHz 3個頻點下產(chǎn)生了OAM模式分別為0,1和2的渦旋電磁波。同時，為解決單臂螺旋輻射場不均勻、產(chǎn)生渦旋波模式較低的問題，在單臂結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，還采用了具有對稱結(jié)構(gòu)的雙臂螺旋來對輻射場進行改善，并通過饋電網(wǎng)絡(luò)簡化雙臂螺旋的饋電結(jié)構(gòu)。該團隊還通過加載圓環(huán)金屬片來降低螺旋結(jié)構(gòu)的高度，以及在外部加載柱形腔來減少背部輻射。環(huán)形金屬片頂部的介質(zhì)板可進一步提高增益，使得天線具有更好的方向性。這一低剖面、高增益和模式可調(diào)的渦旋電磁波天線在無線通信中具有廣泛的應(yīng)用前景。

根據(jù)雙臂平面螺旋天線產(chǎn)生渦旋電磁波的原理[67–69]，為了解決OAM多路復(fù)用通信的問題，合肥工業(yè)大學(xué)郭忠義課題組與電子科技大學(xué)宮玉彬教授課題組[67]合作又提出了一種三環(huán)嵌套的平面等角螺旋線，如圖8所示，該天線的微帶饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，通過調(diào)控3個嵌套環(huán)的半徑，可以實現(xiàn)在3.00 GHz同時產(chǎn)生模式數(shù)為1,3和5的OAM電磁波，同時，在螺旋結(jié)構(gòu)與饋電網(wǎng)絡(luò)之間設(shè)置的金屬反射器，可以提高輻射指向性，減小射頻同軸電纜的影響。該嵌套多臂螺旋天線在多OAM模式實現(xiàn)多路復(fù)用中具有較大的應(yīng)用潛力。表2給出了以上介紹的行波天線產(chǎn)生渦旋電磁波對應(yīng)的主要性能參數(shù)。

3.3 陣列天線生成OAM

陣列天線產(chǎn)生渦旋電磁波是目前發(fā)展較為成熟的一種方法，相較于其他天線，陣列天線的設(shè)計原理簡單、結(jié)構(gòu)靈活，可以通過控制相位產(chǎn)生不同模態(tài)的OAM電磁波。目前，已有多種不同陣元結(jié)構(gòu)的陣列天線被提出并用于產(chǎn)生OAM電磁波，如偶極子天線陣列、微帶貼片天線陣列、Vivaldi天線陣列、喇叭天線陣列等。

3.3.1 偶極子天線陣列

偶極子天線是使用最早、結(jié)構(gòu)最簡單并且應(yīng)用最廣泛的一類天線。2007年，瑞典烏普薩拉大學(xué)B.Thidé等人[43]首次將軌道角動量相關(guān)理論應(yīng)用于低頻(＜1.00 GHz)無線電領(lǐng)域，設(shè)計出以偶極子天線為單元的圓形相控陣天線來產(chǎn)生渦旋電磁波，該研究團隊還利用電偶極子陣列[70]產(chǎn)生了模式數(shù)為1和2的線極化渦旋電磁波，并對天線陣列的方向性等進行了系統(tǒng)分析，具體結(jié)構(gòu)圖及結(jié)果如圖9(a)所示。文獻[71]提出了一種由蝴蝶結(jié)偶極子陣元和寬帶移相饋電網(wǎng)絡(luò)組成的天線陣列，可在2.10～2.70 GHz產(chǎn)生模式數(shù)為±1的圓極化OAM電磁波，具體結(jié)構(gòu)圖及實驗架構(gòu)如圖9(b)所示，該陣列提供了4個正交信道用于OAM通信，誤碼率低于4.2×10–3。

3.3.2 微帶貼片天線陣列

相較于偶極子天線陣列，微帶貼片天線陣列的陣元間受互耦效應(yīng)影響小，同時還具有低剖面、結(jié)構(gòu)簡單、成本小的優(yōu)點。2014年，謝菲爾德大學(xué)Tennant等人[72]提出了一種矩形微帶貼片陣元和微帶移相饋電網(wǎng)絡(luò)組成的相控陣天線，如圖10(a)所示，并首次在10 GHz下通過實驗證明可以產(chǎn)生l=±1的渦旋電磁波。此后，微帶貼片天線陣列得到廣泛關(guān)注和研究，文獻[73]設(shè)計出一種帶有移相功能的圓形功分器結(jié)構(gòu)，天線結(jié)構(gòu)緊湊、容易實現(xiàn)，適用于無線電通訊和雷達應(yīng)用。文獻[74]首次將貼片陣列天線用于通信實驗，在5.75 GHz下產(chǎn)生了模式數(shù)為0和±1的OAM電磁波并進行了OAM多路復(fù)用實驗，實驗證明了OAM不僅可以提高通信的信道容量，還可以在物理層面上增強通信的安全性。文獻[75]首次使用數(shù)控方法控制相位，通過FPGA設(shè)備控制數(shù)字基帶信號，實現(xiàn)OAM在射頻波段的動態(tài)配置。文獻[76]中采用多層結(jié)構(gòu)的圓形陣列天線實現(xiàn)了雙OAM模式的產(chǎn)生，并且交叉耦合較低。文獻[77]提出了一種低剖面的微帶矩形陣列天線，通過U形和M形微帶饋電線激勵準十字形孔徑來得到兩個正交極化，從而實現(xiàn)了在不同極化下產(chǎn)生不同的OAM模式，具體結(jié)果如圖10(b)所示。為了實現(xiàn)用1個陣列天線生成多個OAM模式，文獻[78]提出了極化和OAM模式都可重構(gòu)的寬帶貼片陣列天線，利用開關(guān)二極管組成的可調(diào)饋電網(wǎng)絡(luò)，可以產(chǎn)生+1模式的左旋圓極化波和–1模式的右旋圓極化波。文獻[79]也使用了開關(guān)二極管電控的方式實現(xiàn)了OAM模式可重構(gòu)，在5.50～6.10 GHz和5.65～6.10 GHz下產(chǎn)生了±1,±2和0的OAM電磁波，具體結(jié)果如圖10(c)所示。圖10(d)中的八邊形貼片天線陣列[53]，利用單元結(jié)構(gòu)的高階模式，突破了傳統(tǒng)情況下產(chǎn)生OAM模式所需陣元個數(shù)的限制，只需4個貼片單元即可在2.40 GHz下產(chǎn)生模式數(shù)為–2的OAM電磁波。文獻[80]提出了一種簡化饋電網(wǎng)絡(luò)的方法，通過引入最優(yōu)參考相位來減少所需相位個數(shù)，只需6種相位個數(shù)即可在2.33～2.73 GHz頻率范圍內(nèi)分別產(chǎn)生模式數(shù)為±1,±2,±3的OAM渦旋電磁波。此外，還有一些天線陣列可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)小型化[81]、高增益[82]、不同極化[83]、不同角度[84]、高階模式[85]和可用于短距離通信[86]的OAM波。微帶貼片陣列天線和其他天線陣列相比，易于得到不同極化形式的OAM波，并且天線剖面較低，但饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計較為復(fù)雜，較難做到同時生成不同模態(tài)的OAM電磁波，還需要做更加詳細深入的研究以進一步優(yōu)化。

3.3.3 其他天線陣列

圖9 偶極子陣列天線Fig.9 Dipole array antenna

圖10 微帶貼片陣列天線Fig.10 Microstrip patch array antenna

圖11 其他陣列天線Fig.11 Other array antennas

除了常用的偶極子和微帶貼片天線陣列，研究人員還提出了多種不同陣元形式的天線陣列產(chǎn)生OAM波，如Vivaldi天線陣列、喇叭天線陣列、諧振腔天線陣列、單臂螺旋天線陣列等，這些天線陣列在OAM電磁波的產(chǎn)生中各有優(yōu)勢。Vivaldi天線陣列具有寬帶、高增益、易集成的特點[87]。圖11(a)所示的一種結(jié)構(gòu)緊湊的寬帶Vivaldi天線陣列[88]，將8個Vivaldi天線單元依次折疊構(gòu)成空心圓柱體，可在2.70～2.90 GHz產(chǎn)生模式數(shù)為0,±2的渦旋電磁波。喇叭天線的輻射方向性良好，增益較高，因此，也經(jīng)常被用作陣列天線單元，圖11(b)中的圓形喇叭天線陣列[89]，可實現(xiàn)3種偏振態(tài)下模式數(shù)為0,±1,±2,±3,±4的OAM電磁波；文獻[90]在X波段采用圓形喇叭天線陣列產(chǎn)生高階OAM電磁波，可用于渦旋電磁波雷達成像；文獻[91]提出的水浸式圓形喇叭天線陣列，能在純水中產(chǎn)生模式數(shù)為0,1,2,3的渦旋電磁波，有利于提高水下微波成像系統(tǒng)的分辨率；文獻[92]利用Rotman結(jié)構(gòu)對三單元喇叭天線陣列饋電，以產(chǎn)生多模式的OAM。圖11(c)所示的圓柱形介質(zhì)諧振器天線陣列[93]，通過正確地選擇基片的介電常數(shù)和高度，可以避免傳輸線的損耗和表面波的產(chǎn)生。文獻[94]提出了一種利用表面等離子體激元實現(xiàn)多模式OAM的全新設(shè)計，可以簡化渦旋波束的產(chǎn)生。此外，文獻[95]提出的單臂阿基米德平面螺旋天線陣列，通過機械旋轉(zhuǎn)和微帶饋電網(wǎng)絡(luò)對天線單元附加相位，可分別在3.40～3.90 GHz,3.40～4.10 GHz以及3.90～4.70 GHz的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生OAM模式為1，2和3的渦旋電磁波，如圖11(d)所示。相比于偶極子天線陣列和微帶貼片天線陣列，其他結(jié)構(gòu)的天線陣列有著獨有的優(yōu)點與發(fā)展前景，今后，將會有更多結(jié)構(gòu)獨特的天線陣列被提出，以適用于無線通信、雷達成像、遙感探測等不同方向。表3列出了一些目前報道的陣列天線產(chǎn)生的OAM波及其性能。

3.4 超表面天線生成OAM

利用相控陣列天線產(chǎn)生OAM波需要復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)，在實際應(yīng)用中仍然具有較大的局限性。因此，近幾年來，提出了利用電磁超表面技術(shù)產(chǎn)生OAM波，并且在射頻波段獲得眾多研究學(xué)者的廣泛關(guān)注。超表面是一種超薄的2維陣列表面，由亞波長大小周期性排列的超材料諧振單元組成，它可以通過改變諧振單元的形狀和大小來實現(xiàn)電磁波振幅或相位上的突變[96]。相較于傳統(tǒng)相控陣天線而言，超表面天線具有剖面低、饋電系統(tǒng)簡單和易于波束成形[97]等優(yōu)點。目前用于產(chǎn)生OAM波的超表面天線可分為4類：反射型超表面、透射型超表面、全息超表面和數(shù)字編碼型超表面。其中，反射型超表面和數(shù)字編碼型超表面由于結(jié)構(gòu)工藝簡單、調(diào)控多樣化等優(yōu)勢，其發(fā)展前景被研究人員看好。

2016年，西安電子科技大學(xué)研究團隊[98–100]分別利用矩形貼片單元、偶極子單元和“十字型”貼片單元[100]的反射型超表面實現(xiàn)了單一的OAM波、角度分離OAM波和極化分離OAM波的產(chǎn)生，并進行了相應(yīng)的仿真和實驗驗證，如圖12(a)和圖12(b)所示。次年，該團隊實現(xiàn)了混合模式OAM波的產(chǎn)生，并對產(chǎn)生的OAM波進行了有效的接收和模式分離[101]。隨后，該團隊繼續(xù)研究了不同極化的OAM波的產(chǎn)生(線極化、左旋圓極化和右旋圓極化)[102]，如圖12(c)所示；在相互正交的極化方向上實現(xiàn)了在兩個波段下(C波段和X波段)產(chǎn)生了模式為±1的OAM波和寬帶(9～11 GHz)的OAM[103,104]。近兩年來，利用反射型超表面天線產(chǎn)生OAM波引發(fā)熱潮，文獻[105]利用雙層反射板結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了低發(fā)散角的OAM模式，產(chǎn)生的OAM波可以傳輸較遠的距離(46.9λ0)，如圖12(d)所示。文獻[106]通過可調(diào)的移相饋電網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了模式數(shù)l=–1,0,1的可重構(gòu)OAM波的產(chǎn)生。文獻[107]利用Pancharatnam-Berry相位產(chǎn)生了寬帶的OAM波，實現(xiàn)了帶寬范圍在6.95～18.00 GHz的渦旋電磁波的產(chǎn)生。此外，也有很多研究人員關(guān)注多模式和高階模式的渦旋波的產(chǎn)生[108–110]，通過調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)，可以實現(xiàn)2π的相位覆蓋，繼而可以實現(xiàn)不同的OAM模式。以及文獻[111]中利用小型化的反射型超表面天線實現(xiàn)了不同模式的OAM波的產(chǎn)生，如圖12(e)所示，利用雙環(huán)型的結(jié)構(gòu)作為諧振單元(0.38λ0×0.38λ0)，大大減小了陣列的整體尺寸。文獻[112]中在同一平面結(jié)構(gòu)下分別利用Pancharatnam-Berry相位和諧振相位在不同波段產(chǎn)生了不同模式的OAM波，如圖12(f)所示，通過調(diào)控矩形結(jié)構(gòu)單元的角度和“工”字型結(jié)構(gòu)的尺寸分別在5.20 GHz和10.50～12.00 GHz下產(chǎn)生了模式為1和2的OAM波。

表3 陣列天線結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的OAM波的性能Tab.3 Reported performances of OAM wave generated by array antenna structure

2019年，合肥工業(yè)大學(xué)郭忠義研究團隊[113]利用高階相位的概念和二極管組成的可調(diào)相位網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了可重構(gòu)的OAM波的產(chǎn)生，如圖13所示。相較于上述超表面結(jié)構(gòu)，該超表面可以實現(xiàn)±1,±2,±3階OAM模式，大大提高了結(jié)構(gòu)的利用效率。并且，產(chǎn)生的不同模式的OAM波均工作在同一頻率，這也便于將OAM復(fù)用技術(shù)應(yīng)用在通信系統(tǒng)當(dāng)中。此外，該結(jié)構(gòu)還可以實現(xiàn)電磁波束的掃描(–55°～55°)和聚焦，拓寬了天線的使用范圍。反射型超表面結(jié)構(gòu)簡單，功能多樣化，是超表面天線產(chǎn)生OAM波的一個重要研究方向，當(dāng)前反射型超表面產(chǎn)生渦旋波仍然有較大限制，今后學(xué)者們可以圍繞模式可重構(gòu)、角度的復(fù)用和寬頻帶等幾個方面做進一步的研究。

在反射型超表面廣泛應(yīng)用的同時，透射型超表面也逐漸走進人們的視野。早在2015年，北京大學(xué)研究團隊[114]就利用透射型超表面產(chǎn)生了模式為2的OAM波，如圖14(a)所示，左旋圓極化的平面波通過超表面以后形成了右旋圓極化的渦旋波。近幾年來，透射型超表面也得到了廣泛的關(guān)注。文獻[115]利用幅度-相位雙調(diào)控的方法有效的減小了渦旋波的發(fā)散角。文獻[116]中，通過4層金屬和3層介質(zhì)的結(jié)構(gòu)單元實現(xiàn)了發(fā)散角為9°、模式為l=1的OAM波的產(chǎn)生。文獻[117]在不同極化下分別產(chǎn)生了模式為0和1的OAM波，如圖14(b)所示。文獻[118]利用超表面透鏡實現(xiàn)了OAM波的聚攏，將原本50°的發(fā)散角減小到了22°。文獻[119,120]中，通過調(diào)控超表面的單元尺寸分別實現(xiàn)了極化轉(zhuǎn)換和角度分離的OAM波的產(chǎn)生，如圖14(c)所示，在不同角度下分別產(chǎn)生了模式為l=–2,–1,0,1,2的OAM波。文獻[121]中利用13層的單元結(jié)構(gòu)結(jié)合PIN二極管，實現(xiàn)了模式可重構(gòu)的渦旋波。文獻[122]中采用單層超薄(厚度為0.05λ0)的結(jié)構(gòu)分別產(chǎn)生了模式為1和2的渦旋波。此外，還有通過小型化[123,124]和單層結(jié)構(gòu)[125]產(chǎn)生OAM波，以及文獻[126]中利用全介質(zhì)超表面實現(xiàn)了極化分離的OAM波，如圖14(d)所示，在TE和TM入射波下分別產(chǎn)生了模式為–1和2的OAM波。相較于反射型超表面，透射型超表面產(chǎn)生的OAM波不易受到入射波的影響，模式純度更高，但是透射型超表面結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，通常需要多層結(jié)構(gòu)，增大了工藝難度，并且輻射增益較低，這也需要做進一步的研究。

圖14 透射型超表面產(chǎn)生OAM波Fig.14 The transmitted metasurface generates OAM waves

除了傳統(tǒng)的反射型和透射型超表面以外，香港大學(xué)[127]和西安電子科技大學(xué)[128,129]均提出了利用全息超表面這一新型結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生OAM波，如圖15所示。圖15(a)中，在不同角度下分別產(chǎn)生了模式為–1和1的OAM波。圖15(b)中，利用結(jié)構(gòu)單元的不同排布分別產(chǎn)生了拓撲荷為2和4的OAM波。全息超表面將全息算法與超表面相結(jié)合，實現(xiàn)更加精準的波束控制，產(chǎn)生的OAM波模式純度高且發(fā)散角較小，并且可以實現(xiàn)OAM波角度的調(diào)節(jié)，缺點是算法比較復(fù)雜且計算量大，目前研究較少。

此外，西安電子科技大學(xué)[130,131]和空軍工程大學(xué)[132–134]又提出了一種新的數(shù)字編碼型超表面產(chǎn)生OAM波，其中，西安電子科技大學(xué)研究團隊實現(xiàn)了可重構(gòu)的OAM波的產(chǎn)生；空軍工程大學(xué)研究團隊分別產(chǎn)生了角度分離和模式分離的OAM波，如圖16所示。與此同時，東南大學(xué)崔鐵軍教授課題組利用數(shù)字編碼Pancharatnam-Berry相位[135]、極化分離數(shù)字編碼[136]和全空間數(shù)字編碼[137]等方式實現(xiàn)了多模式OAM波束輻射。與傳統(tǒng)超表面相比，數(shù)字編碼型超表面單元的相位由有限個二進制數(shù)值來組成，大大簡化了計算的復(fù)雜度；與此同時，產(chǎn)生的渦旋波仍然保持較好的螺旋相位特性，也使得其具有研究價值。這一新型超表面天線未來可能在OAM波的產(chǎn)生等方面發(fā)揮重要作用。表4列出了一些目前報道的產(chǎn)生OAM波的超表面天線及其性能。

圖15 全息超表面產(chǎn)生OAM波Fig.15 The holographic metasurface generates OAM waves

4 結(jié)論

目前攜帶軌道角動量的渦旋電磁波在無線通信領(lǐng)域、雷達檢測和成像領(lǐng)域都具有巨大的潛在應(yīng)用價值，但是渦旋電磁波的產(chǎn)生方法并不是很完善，特別是寬帶、多OAM模式的渦旋電磁波天線的設(shè)計仍然面臨很大的挑戰(zhàn)。

本文主要針對現(xiàn)如今射頻波段產(chǎn)生渦旋電磁波的天線結(jié)構(gòu)進展進行綜述及總結(jié)。簡要介紹了渦旋電磁波的起源、發(fā)展歷程及應(yīng)用趨勢；對渦旋電磁波理論基礎(chǔ)進行了定性定量的描述；緊接著又分別介紹了單一微帶貼片天線、行波天線、陣列天線以及超表面天線產(chǎn)生渦旋電磁波技術(shù)的研究進展，概括比對了每種類型渦旋天線所存在的優(yōu)缺點，繼而在這4類天線的基礎(chǔ)上對今后的發(fā)展進行了總結(jié)和展望。

在今后的研究中，如何設(shè)計制作結(jié)構(gòu)更加簡單、成本更低的渦旋天線，同時還能夠產(chǎn)生寬帶、多OAM模式、高質(zhì)量的渦旋電磁波，將會是學(xué)界堅持不懈的努力方向；而且，不同模式的渦旋電磁波之間的復(fù)用，以及復(fù)合渦旋電磁波的解復(fù)用也將是未來人們的研究重點；渦旋電磁波在不同分散體系中的傳輸特性分析研究，亦將是渦旋電磁波應(yīng)用領(lǐng)域所不得不面對的科學(xué)問題。渦旋電磁波各相關(guān)技術(shù)的進展和成熟，將會促進其在無線通信系統(tǒng)、渦旋雷達成像系統(tǒng)和醫(yī)療成像系統(tǒng)等領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。

圖16 數(shù)字編碼型超表面產(chǎn)生OAM波Fig.16 The digitally encoded metasurface generates OAM waves

表4 產(chǎn)生OAM波的超表面天線及性能Tab.4 The metasurface antennas and their properties for generating OAM waves

續(xù)表 4