王志霞
(山西工程科技職業(yè)大學(xué),山西 晉中 030619)
近年來(lái),隨著無(wú)線通信技術(shù)蓬勃發(fā)展,通信業(yè)務(wù)與日俱增,使得原本就緊缺的頻譜資源更加緊張。如何合理且有效地利用頻譜資源成了人們面臨的最大挑戰(zhàn)。與此同時(shí),攜帶軌道角動(dòng)量的渦旋電磁波成了研究熱點(diǎn)。渦旋電磁波具有不同模式的軌道角動(dòng)量,而且不同模式之間相互正交。由于模式間的正交性,可以很好地將攜帶不同軌道角動(dòng)量的渦旋電磁波應(yīng)用于通信領(lǐng)域,不同模式的軌道角動(dòng)量可以攜帶不同的信息,而且攜帶這些信息的電磁波由于模式正交性不會(huì)相互干擾,軌道角動(dòng)量的模式數(shù)越多,攜帶的信息量越大,這樣就可以在不增加信道的寬度的基礎(chǔ)上成倍地增加信息容量。綜上所述,渦旋電磁波可以在同一帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)多通道并行傳輸,大大提高了頻譜利用率,提高了帶寬容量,具有廣闊的應(yīng)用前景。
OAM渦旋電磁波全稱Orbital Angular Momentum,簡(jiǎn)稱OAM。該電磁波攜帶軌道角動(dòng)量,如圖1所示。該軌道角動(dòng)量取決于電磁波相位分布,其相位因子為ej1φ,其中l(wèi)為拓?fù)浜?,不同拓?fù)浜蓪?duì)應(yīng)不同的工作模式,不同工作模式之間相互正交,Φ為方位角。
圖1 軌道角動(dòng)量示意圖
在微波波段,陣列天線是最常見(jiàn)的直接產(chǎn)生渦旋電磁波的結(jié)構(gòu)。通過(guò)將若干個(gè)相同的天線輻射元按圓周均勻排列,對(duì)各陣元等幅等相位差延時(shí)激勵(lì),產(chǎn)生不同模式的渦旋電磁波。其中各相鄰陣元相位差均為2l/N,l為渦旋電磁波模式,N為陣列天線輻射元個(gè)數(shù),并且l和N必須滿足-N/2 圖2 不同形狀的微帶貼片天線 陣列天線要想產(chǎn)生渦旋電磁波,必須借助饋電網(wǎng)絡(luò)為各陣元提供延時(shí)的等相位差,隨著陣列天線陣元的增加,饋電網(wǎng)絡(luò)就愈發(fā)復(fù)雜,這樣的話制造工藝復(fù)雜且容易產(chǎn)生誤差,鑒于此,單微帶天線產(chǎn)生渦旋電磁波誕生了。在微帶貼片天線表面上電流正負(fù)電荷交替出現(xiàn),每種特征模式中相鄰特征電流間的相位是相反的,這里的特征電流可以類比于陣列天線中的輻射元電流,要想產(chǎn)生渦旋電磁波,必須形成偶數(shù)個(gè)特征模式電流周期。為了形成多個(gè)模式電流周期,可以采用多邊形貼片結(jié)構(gòu)(如圖3a所示),理論上,只要多邊形的邊數(shù)滿足4(l+1),其中l(wèi)表示模態(tài)數(shù),不同的多邊形微帶貼片能產(chǎn)生不能模式的渦旋電磁波。但是隨著多邊形邊數(shù)的增加,貼片幾乎越來(lái)越接近圓形。于是,人們嘗試使用圓形微帶貼片天線產(chǎn)生渦旋電磁波。如圖3b所示,在圓形貼片上設(shè)置2個(gè)饋電點(diǎn),使2個(gè)饋電點(diǎn)之間具有90°的相位差,可以形成模態(tài)為正負(fù)1、2的渦旋電磁波。 圖3 微帶貼片天線 圓形微帶貼片天線中需要借助不同的饋電點(diǎn)等幅延時(shí)相位激勵(lì)產(chǎn)生渦旋電磁波。橢圓形微帶貼片天線通過(guò)改變貼片的幾何結(jié)構(gòu)(如圖4所示),使其幾何結(jié)構(gòu)不對(duì)稱,同時(shí)選取適當(dāng)?shù)酿侂婞c(diǎn),從而激發(fā)兩種簡(jiǎn)并模,進(jìn)而產(chǎn)生渦旋電磁波。 圖4 橢圓形微帶貼片天線[5] 透射螺旋相位板(Spiral Phase Plate,SPP)是一種厚度隨著相對(duì)中心旋轉(zhuǎn)方位角的變化而成比例變化的一種結(jié)構(gòu),如圖6所示,形狀類似于螺旋狀的階梯。當(dāng)電磁波入射到螺旋相位板表面時(shí),由于相位板具有不同厚度的螺旋階梯,致使透射電磁波具有不同的波程差,同時(shí)使得入射電磁波波前相位發(fā)生螺旋狀變化,從而形成渦旋電磁波。不同厚度的螺旋階梯相位板產(chǎn)生不同模態(tài)的渦旋電磁波。 產(chǎn)生渦旋電磁波的反射型結(jié)構(gòu)有階梯型反射面(如圖6)和螺旋拋物面天線(如圖5)。當(dāng)入射電磁波入射至階梯結(jié)構(gòu)物時(shí),相鄰階梯的高度差使得電磁波產(chǎn)生相位差,從而形成不同模態(tài)的渦旋電磁波。 圖5 螺旋反射面[4] 圖6 階梯形螺旋反射面 除了上述詳細(xì)介紹的幾種結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生渦旋電磁波外,還有電磁超表面結(jié)構(gòu)、諧振腔結(jié)構(gòu)、透射光柵結(jié)構(gòu)、多孔相位板結(jié)構(gòu)。 通過(guò)調(diào)研,本文首先分析了當(dāng)前無(wú)線通信領(lǐng)域存在的問(wèn)題,頻譜資源緊缺,為了提高頻譜利用率,增加信道容量,攜帶軌道角動(dòng)量的渦旋電磁波應(yīng)用。文中詳細(xì)列舉了各種產(chǎn)生渦旋電磁波的方法,并簡(jiǎn)單闡述了其工作原理。為設(shè)計(jì)盡可能多模態(tài)的軌道角動(dòng)量天線奠定基礎(chǔ)。2.2 單微帶天線產(chǎn)生渦旋電磁波
2.3 橢圓形微帶貼片天線產(chǎn)生渦旋電磁波
2.4 透射式螺旋相位板產(chǎn)生渦旋電磁波
2.5 反射型結(jié)構(gòu)產(chǎn)生渦旋電磁波
2.6 其他結(jié)構(gòu)
3 小結(jié)