田 震，張德智，李金龍，馮 強

(1.中國運載火箭技術(shù)研究院，北京 100076；2.西安電子科技大學(xué)，西安 710100)

0 引言

無線通信技術(shù)已成為現(xiàn)代社會發(fā)展中必不可少的技術(shù)，在民用、軍用領(lǐng)域都具有不可替代的作用[1-5]。隨著無線電技術(shù)的飛速發(fā)展，有限且不可再生的電磁頻譜已變得擁堵不堪，新的無線復(fù)用技術(shù)面臨迫切需求，從物理層面上進行深入研究是解決這一問題的合理手段。近些年來，攜帶軌道角動量信息的渦旋電磁波被引入微波頻段，因為渦旋電磁波在物理層具有全新的維度，即在理論上，軌道角動量模態(tài)具有無限多個相互正交的模態(tài)，因此攜帶有軌道角動量的渦旋電磁波具有巨大的應(yīng)用潛力和應(yīng)用前景。在軍用領(lǐng)域，現(xiàn)代戰(zhàn)場中導(dǎo)彈集群通信系統(tǒng)同樣面臨著頻譜資源受限且易受敵方電磁壓制、干擾、欺騙的問題，迫切需要提升頻譜利用率，并能夠增強數(shù)據(jù)傳輸量、模態(tài)隔離度的新型通信技術(shù)，基于帶狀線的混合模態(tài)渦旋電磁波大容量通信系統(tǒng)顯示出其在解決上述問題的可能性。

在經(jīng)典的電磁理論中對于軌道角動量就有一定的描述和研究，但只限于概念上的研究，大多數(shù)處于理論階段，沒有實際的實驗和工程樣機的驗證[9-10]。直到1992年，Allen等人[11-12]通過實驗進一步研究顯示拉蓋爾-高斯波束具有完整的軌道角動量特性，并確定了軌道角動量和相位因子項ejlφ之間的對應(yīng)關(guān)系，這個研究發(fā)現(xiàn)對于軌道角動量的工程化的飛速發(fā)展做出巨大貢獻。追根溯源，軌道角動量的研究一開始主要集中于光學(xué)領(lǐng)域[13]，而在2007年瑞典物理學(xué)家Thide′等人[14]通過均勻圓形陣列天線實現(xiàn)了射頻軌道角動量的產(chǎn)生，產(chǎn)生了對應(yīng)的渦旋電磁波束。從此，關(guān)于射頻軌道角動量渦旋電磁波束的研究也進入了繁榮發(fā)展時期[10，15]，渦旋電磁波束的生成模式越來越多樣化，尤其是在無線通信和雷達探測與成像領(lǐng)域[16]，以及涉及渦旋電磁波產(chǎn)生與接收的關(guān)鍵天線技術(shù)[17-18]，呈現(xiàn)百花齊放的場景。

目前來說，渦旋電磁波最初是通過圓形陣列引入[14]，后續(xù)又經(jīng)歷一些發(fā)展[15，18-21]，但是現(xiàn)在對于多種模態(tài)的渦旋電磁波都是采用設(shè)計獨立的多種模態(tài)的渦旋電磁波天線陣列，結(jié)合微帶線饋電網(wǎng)絡(luò)，單獨生成特定模態(tài)的渦旋電磁波，最后將各個模態(tài)的天線陣列進行物理上的拼接來實現(xiàn)空間中存在不同模態(tài)的渦旋波。這種方式的問題在于空間利用率低、饋電網(wǎng)絡(luò)難設(shè)計、模態(tài)隔離度和小型化程度差、安裝和設(shè)計上工作量大難實現(xiàn)的問題，因此設(shè)計一款小型化，空間利用率和模態(tài)隔離度高，在同一天線陣面上的混合模態(tài)渦旋電磁波生成結(jié)構(gòu)對于渦旋波大容量通信具有重要的意義和良好的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

本論文從渦旋電磁波和渦旋電磁場的角度切入，對混合模態(tài)渦旋波束的產(chǎn)生和傳輸進行研究和分析。本文的主要研究內(nèi)容如下：首先通過研究渦旋電磁波理論，結(jié)合平面相控陣列天線和基于帶狀線的抗干擾、多輸入饋電網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計雙圓環(huán)陣元構(gòu)型排布、多層結(jié)構(gòu)的混合模態(tài)(+1，-1，+2，-2)C頻段渦旋電磁波天饋系統(tǒng)；進一步構(gòu)建起完整的軌道角動量(OAM，orbital angular momentum)渦旋電磁波束收發(fā)射頻大容量通信鏈路模型；最后對所設(shè)計的混合模態(tài)渦旋電磁波束產(chǎn)生與接收天線陣列進行加工，并進行OAM渦旋波束的隔離度測試和該通信系統(tǒng)大容量數(shù)據(jù)傳輸分析。

1 渦旋電磁波理論

1.1 渦旋電磁波生成原理

在經(jīng)典力學(xué)體系中，角動量通常被分為自旋角動量和軌道角動量，因此對于電磁角動量，也可以考慮分為自旋角動量S和軌道角動量L。根據(jù)麥克斯韋方程和角動量守恒定律，就可以將電磁場的角動量表示為：

(1)

(2)

渦旋電磁波是由平面波加一個旋轉(zhuǎn)相位因子exp(jlφ)產(chǎn)生，其具體表現(xiàn)形式為相位波前從平面波轉(zhuǎn)化為螺旋旋轉(zhuǎn)相位結(jié)構(gòu)。因此，渦旋電磁波可以表達為：

U(r，φ)=A(r)·exp(ilφ)

(3)

其中：A(r)表示電磁波的幅度值，r為球坐標(biāo)系中的矢徑，l為渦旋電磁波的模態(tài)值，φ為方位角。因此根據(jù)渦旋電磁波的表達式可知，渦旋電磁波的產(chǎn)生需要形成隨方位角變化的相位分布。若設(shè)置陣元坐標(biāo)為(xi，yi)，則對于陣列天線的各個陣元的相位值為：

φ=l·arctan(xi/yi)

(4)

因此，渦旋波相位波前繞渦旋中心旋轉(zhuǎn)一周，相位改變2π，稱其渦旋電磁波模態(tài)為1，如圖1(a)所示，渦旋波束的相位波前繞渦旋中心旋轉(zhuǎn)一周，相位改變4π稱其渦旋波模態(tài)為2，如圖1(b)所示，因此可以利用陣列天線，通過調(diào)控陣元饋電相位來產(chǎn)生不同模態(tài)的渦旋電磁波。

圖1 不同OAM模式渦旋波束相位波前圖

渦旋電磁波是一種攜帶軌道角動量的，且具有螺旋狀等相位面的電磁波，與人們所熟知的平面波、球面波等常規(guī)電磁波在物理層面上具有較大區(qū)別，因此也具有眾多新穎的特性。渦旋電磁波在解析表達式上一個顯著的特點是其表達式具有eilφ的相位因子，其中的l為渦旋波的模態(tài)值，φ為空間方位角，因此，若在垂直于波束傳播方向上設(shè)置觀察面，便可看到渦旋波的相位分布呈現(xiàn)隨方位角逐漸變化的特點，并在觀察面中心點形成相位奇點；與之對應(yīng)，渦旋波波束中心場強為零，在觀察面上形成“圓環(huán)狀”幅度分布；同時，當(dāng)渦旋電磁波的軌道角動量模態(tài)不同時，各個攜帶不同軌道角動量模態(tài)的渦旋電磁波滿足相互正交的特點。

1.2 渦旋電磁波接收原理

由于渦旋波的發(fā)散特性，傳播一定距離后，如果使用傳統(tǒng)的完整孔徑接收技術(shù)，為了獲取良好的接收效率，將需要增加接收端孔徑的尺寸。然而，由于射頻接收天線大小具有一定的局限性，因此不能滿足對擴散波束的有效接收。因此，可通過在完整孔徑上均勻采樣的方式，將完整角孔徑接收衍生到完整孔徑取樣接收，其中接收端孔徑為與渦旋電磁波傳播主軸同心且垂直于主軸的圓。假設(shè)在接收圓上均勻布有M個取樣天線，天線角向間隔為2π/M，自由空間中傳輸N個信道的渦旋電磁波信號，它們的模式符合l1-l2=n。其中l(wèi)i是任意的OAM模式，n是整數(shù)。若將連續(xù)的積分進行離散化，再結(jié)合采樣定理，便可以通過離散傅里葉變換(DFT)計算出渦旋電磁波對的模態(tài)譜，由此也構(gòu)成了完整孔徑采樣接收的基礎(chǔ)。

2 天線陣列和饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和測試

本節(jié)首先設(shè)計了中心頻率在4.25 GHz的圓極化微帶天線并進行加工和方向圖測試，其次以該微帶天線為陣元設(shè)計了陣元交替排布的雙環(huán)陣列天線，用于生成4種模態(tài)的渦旋波(l=+1、l=-1、l=+2、l=-2)，并結(jié)合帶狀線的特點以及采取疊層分布的思路設(shè)計了具有降低電磁干擾的4種模態(tài)的饋電網(wǎng)絡(luò)，最后對整個天饋進行整合仿真驗證，觀測相應(yīng)的各個模態(tài)方向圖。

2.1 陣元設(shè)計和測試

本文設(shè)計一種中心饋電的右旋圓極化(RHCP，right-handed circularly polarized)微帶天線。一方面，圓極化天線在某些領(lǐng)域具有獨特的優(yōu)勢，比如衛(wèi)星通信層面，圓極化天線可以避免電磁波極化特性隨著天線平臺姿態(tài)改變導(dǎo)致的極化損失過大；另一方面，因為軍事領(lǐng)域以及渦旋電磁波陣列天線的饋電相位要求較高，為了簡化饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，采取中心饋電的圓極化天線作為陣列天線陣元，通過旋轉(zhuǎn)圓極化天線一定角度來補償渦旋波束所產(chǎn)生需要的相位[22]。一般的圓極化天線的饋電不在貼片中心位置，這就會導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)操作后的饋電網(wǎng)絡(luò)不是對稱分布，使得功率分配變復(fù)雜。為了解決這個問題，本論文設(shè)計微帶天線的設(shè)計，并且采用在貼片上蝕刻U型槽的方式，一方面改變電流路徑，使得陣元尺寸變小且形成圓極化的特性，其次通過調(diào)整開槽的尺寸使得該陣元的饋點在其幾何中心上，方便后續(xù)通過對陣元的旋轉(zhuǎn)改變相位而不影響陣元的饋電位置，因此就有圖2所示的點頻在4.25 GHz的中心饋電結(jié)構(gòu)的右旋圓極化微帶天線陣元結(jié)構(gòu)。

圖2 中心頻率4.25 GHz的中心饋電圓極化陣元天線結(jié)構(gòu)圖

整個陣元天線由開U型槽方形貼片，襯底結(jié)構(gòu)和接地板組成，襯底材料選擇相對介電常數(shù)為2.65的F4B材料，厚度為2 mm，該圓極化微帶天線的參數(shù)見表1所示。

表1 陣元天線參數(shù)表

根據(jù)設(shè)計方案，該微帶天線陣元通過同軸線饋電，饋電位置處于貼片中心，通過仿真結(jié)果進行優(yōu)化參數(shù)，然后對該天線陣元進行加工和測試，如圖3所示。

圖3 天線單元實物圖及微波暗室測量環(huán)境

將陣元在HFSS(high frequency structure simulator)中進行全波仿真，仿真結(jié)果表明在4.2～4.3 GHz之間S11系數(shù)低于-15 dB，軸比在4.23～4.27 GHz之間低于3 dB，滿足圓極化的要求。在仿真結(jié)果基礎(chǔ)上對該陣元進行加工，由于實際加工過程中存在一定的誤差，在根據(jù)板材特性和加工誤差的基礎(chǔ)上進行誤差修正后進行性能測試，根據(jù)圖4所示的實測結(jié)果，該微帶天線陣元工作在中心頻率4.25 GHz時，天線單元輻射方向性良好，天線S11系數(shù)低于-15 dB，帶寬范圍為4.14～4.35 GHz，軸比低于3 dB帶寬范圍為4.23～4.27 GHz，與仿真計算的結(jié)果基本吻合，各項指標(biāo)符合預(yù)期設(shè)計要求，可用該天線單元進行陣列的設(shè)計。

圖4 天線單元實測結(jié)果和仿真結(jié)果圖

2.2 渦旋天線陣列設(shè)計和測試

對于本設(shè)計采用的雙圓環(huán)陣列天線，優(yōu)勢在于通過采用內(nèi)環(huán)產(chǎn)生+1和-1模態(tài)，外環(huán)產(chǎn)生+2和-2模態(tài)的雙圓環(huán)均勻陣列，每個圓環(huán)均為16個陣元，每種模態(tài)占用8個陣元，兩種模態(tài)所對應(yīng)的陣元交叉排列，并在此基礎(chǔ)上確定內(nèi)外環(huán)半徑分別為R1=1.55λ，R2=2.25λ，在此圓環(huán)半徑下，對于4種模態(tài)渦旋電磁波的電磁波束發(fā)散角就可以盡量保持一致。整個雙圓環(huán)天線陣列的尺寸為450 mm×450 mm，介質(zhì)基板材料選擇介電常數(shù)為2.65的F4B，陣列及下層介質(zhì)板厚度為2 mm，陣列中的陣元為前文所述的中心饋電的開U型槽的右旋圓極化微帶天線，陣元均采取同軸線饋電方式，綜上所述，整個雙圓環(huán)陣列和每種模態(tài)對應(yīng)的陣元位置排布見圖5所示。

圖5 相鄰陣元交替排布的雙圓環(huán)均勻天線陣列示意圖

這種雙圓環(huán)均勻圓形渦旋陣列天線構(gòu)型使得4種模態(tài)渦旋波都可以在同一平面上生成，大大提高空間利用率和降低了加工、安裝的誤差。

2.3 多輸入抗干擾疊層饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

由于本論文設(shè)計的圓極化陣元天線，可以通過物理旋轉(zhuǎn)來補償渦旋波束需要的梯度相位分布，因此對于饋電網(wǎng)絡(luò)就可以簡化為1分8的功分器，對于4個模態(tài)的功分器設(shè)計，可以選擇通過改變功分器的結(jié)構(gòu)形狀構(gòu)型來實現(xiàn)，但4個1分8的功分器處于同一層面，功分器的微帶線之間會存在不可忽視的電磁干擾，對功分器效果產(chǎn)生明顯影響，進而使得功分器輸出端口相位偏移，從而導(dǎo)致渦旋波束模態(tài)純度變差，故本設(shè)計采用基于帶狀線的抗干擾、多輸入的疊層結(jié)構(gòu)的功分器設(shè)計，通過將4種模態(tài)對應(yīng)的功分器分別排布在不同層，加上整個饋電網(wǎng)絡(luò)基于帶狀線結(jié)構(gòu)設(shè)計，其優(yōu)勢在于很大程度上避免了功分網(wǎng)絡(luò)之間的電磁干擾，從而增加天饋系統(tǒng)渦旋波不同模態(tài)之間的隔離度，并且對于各個饋電網(wǎng)絡(luò)從輸入端口(Port1～Port4)到各個輸出端口的幅度分布均勻且傳輸相位保持一致保證天線陣列生成渦旋波束模態(tài)的正確性，該多輸入抗干擾疊層饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖6所示。

根據(jù)天線陣列和饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，整個系統(tǒng)為疊層結(jié)構(gòu)，頂層為雙圓環(huán)微帶天線陣列，共32個陣列單元(內(nèi)環(huán)16個，外環(huán)16個，內(nèi)環(huán)為模態(tài)+1，-1陣列，外環(huán)為模態(tài)+2，-2陣列)，第2層是介質(zhì)基板為F4B，相對介電常數(shù)2.65，厚度為2 mm，第3層是GND層，第4層是襯底材料F4B，厚度為0.8 mm，第5、6、7、8層分別是l=+1、l=-1、l=+2、l=-2模態(tài)的饋電網(wǎng)絡(luò)，饋電網(wǎng)絡(luò)的輸入端口置于底板上，一共有4個輸入端口，分別對應(yīng)單獨的渦旋電磁波模態(tài)；對于每層功分饋電網(wǎng)絡(luò)均采用帶狀線結(jié)構(gòu)設(shè)計，且?guī)罹€上下層介質(zhì)板厚度均為0.8 mm，介質(zhì)板材料仍為F4B，該帶狀線的設(shè)計結(jié)構(gòu)抑制了饋電網(wǎng)絡(luò)之間的電磁干擾，間接提升渦旋電磁波模態(tài)純度，4組功分器的各輸出端口與天線陣元通過同軸線相連接，并在金屬底板(GND)上做開口設(shè)計使其與同軸線隔離。該饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)側(cè)視圖見圖6所示。

圖6 雙圓環(huán)均勻天線陣列饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及陣列剖面圖

2.4 天饋系統(tǒng)仿真

將2.3節(jié)設(shè)計的天饋系統(tǒng)在HFSS中進行全波仿真，可以分別得到的OAM模態(tài)值為+1、-1、+2、-2的渦旋電磁波束的3D方向圖和2D方向圖，如圖7、圖8所示。

圖7 雙圓環(huán)均勻天線陣列渦旋波束3D方向圖

圖8 雙圓環(huán)均勻天線陣列渦旋波束2D方向圖

根據(jù)雙圓環(huán)均勻天線陣列的3D方向圖仿真結(jié)果可知，對于+1和-1模態(tài)的渦旋電磁波束呈現(xiàn)出中心凹陷的圓環(huán)結(jié)構(gòu)，主瓣輻射均勻，波束效果較好，滿足渦旋波束的特征，其模態(tài)+2和-2的渦旋電磁波束也具有相同的波束特征，此處不在贅述。

通過雙圓環(huán)均勻天線陣列的2D方向圖可以看到，OAM模態(tài)模態(tài)+2和-2的波束發(fā)散角為28°，滿足初始設(shè)計要求，結(jié)合雙圓環(huán)陣列半徑的設(shè)計，使得4種模態(tài)渦旋電磁波的發(fā)散角盡量保持一致，對于模態(tài)+1和-1其波束發(fā)散角為25°左右。總體而言，根據(jù)仿真結(jié)果可以得到該陣元相鄰排布的雙圓環(huán)天線陣列可以產(chǎn)生OAM模態(tài)+1、-1、+2、-2的4個混合模態(tài)的渦旋電磁波，且各模態(tài)波束發(fā)散角基本一致，其之間通過4個端口獨立饋電和進行調(diào)控，不互相干擾。

3 大容量通信系統(tǒng)設(shè)計和性能測試

本節(jié)首先對雙圓環(huán)均勻天線陣列進行加工并對4種模態(tài)的S11參數(shù)進行測試，然后對該天線陣列進行遠(yuǎn)場和近場測試，觀測天線方向圖和空間電場的幅度、相位分布特性，驗證生成的4種模態(tài)渦旋波的正確性；其次在微波暗室通過兩個雙圓環(huán)天線陣列搭建簡易的無線收發(fā)鏈路通信裝置，通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀分別兩兩測試4種模態(tài)之間的隔離度，最后在此無線收發(fā)鏈路的基礎(chǔ)上加入兩臺軟件無線電平臺作為無線通信發(fā)射機或接收機，搭建基于渦旋電磁波的大容量通信系統(tǒng)，驗證大容量數(shù)據(jù)傳輸可行性。

3.1 天饋系統(tǒng)暗室測試

對章節(jié)2設(shè)計的雙圓環(huán)均勻天線陣列進行加工，實物見圖9所示。

圖9 相鄰陣元交替排布的雙圓環(huán)均勻天線陣列實物圖

借助矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對該天饋系統(tǒng)進行S11參數(shù)測試。通過測試結(jié)果可以觀察到，4種模態(tài)的S11系數(shù)在4.12～4.38 GHz范圍內(nèi)匹配良好，中心頻率4.25 GHz處的反射均低于-10 dB，即陣列的饋電設(shè)計符合要求，見圖10所示。

圖10 雙環(huán)圓陣各輸入端口S11測試結(jié)果

對天饋系統(tǒng)進行方向圖測試，結(jié)果見圖11，其波束主瓣增益大于10 dBi，主瓣輻射均勻，波束效果和仿真類似，符合設(shè)計要求。為了進一步觀察該雙圓環(huán)陣列天線的各個渦旋電磁波模態(tài)的渦旋場分布，在微波暗室中進行近場測試，近場掃描平面為1 m×1 m，其中近場掃描時測試和探頭距離天線陣列的距離為1.5 m，掃描點數(shù)為81×81點，在場觀察面內(nèi)建立采樣接收圓周進行渦旋模態(tài)采樣接收分析，在本論文種采樣點數(shù)均為12個采樣點，然后對位于采樣接收圓周上采樣點位置處的采樣數(shù)據(jù)進行DFT(discrete fourier transform)計算，并采用歸一化的表示方法即可得到對應(yīng)的OAM模態(tài)純度，可以看到對于模態(tài)+1的渦旋波的電場幅度分布中對應(yīng)的環(huán)狀場強出現(xiàn)分布不均勻，強弱相差的區(qū)域，但是電場的相位分布良好，呈現(xiàn)出逆時針的螺旋狀，此現(xiàn)象出現(xiàn)的原因可能是因為陣元之間的耦合導(dǎo)致，其他3種模態(tài)的電場幅度和相位分布都是比較好的，對于相位分布所對應(yīng)波束的模態(tài)值表現(xiàn)為順時針或者逆時針的螺旋曲線?？傮w而言，可以看出該天饋系統(tǒng)4種模態(tài)的渦旋波模態(tài)純度都較高，且都能獨立調(diào)控，近場測試結(jié)果見圖12。

圖11 雙圓環(huán)均勻天線陣列渦旋電磁波束2D方向圖測試結(jié)果

圖12 雙圓環(huán)均勻天線陣列各OAM模態(tài)近場觀察面測試結(jié)果圖

3.2 不同模態(tài)收發(fā)隔離度測試

本節(jié)對于混合模態(tài)渦旋波大容量通信系統(tǒng)而言，核心在于各個模態(tài)之間的隔離度，若模態(tài)間隔離度高，基于渦旋電磁波模態(tài)正交的特性，在同等條件下相比0模態(tài)平面波數(shù)據(jù)傳輸量增大4倍，對于大容量通信具有十分重要的意義。因此本文構(gòu)建圖13的測試環(huán)境，收發(fā)天線都采取章節(jié)2設(shè)計的混合模態(tài)天饋系統(tǒng)，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在暗室進行整個通信系統(tǒng)的模態(tài)收發(fā)隔離度測試，收發(fā)天線距離2 m，收發(fā)隔離度測試結(jié)果見表2。

圖13 雙圓環(huán)均勻天線陣列收發(fā)隔離度測試示意圖

表2 雙圓環(huán)均勻天線陣列不同模態(tài)收發(fā)隔離度測試結(jié)果 dBm

通過收發(fā)隔離度測試結(jié)果可以看到，該天饋系統(tǒng)生成的+1模態(tài)渦旋電磁波和其他3種模態(tài)之間的隔離度為20 dB左右，-1模態(tài)的模態(tài)隔離度特性和+1模態(tài)的類似，均為21 dB左右；對于+2模態(tài)渦旋電磁波而言，其和其他3種模態(tài)之間的隔離度為15 dB左右，-2模態(tài)的模態(tài)隔離度特性和+2模態(tài)類似，為16 dB左右；總體而言，根據(jù)模態(tài)間隔離度測試結(jié)果來看，基于雙圓環(huán)均勻天線陣列的天饋系統(tǒng)生成的4種模態(tài)之間隔離度較好，滿足混合模態(tài)大容量通信演示驗證系統(tǒng)建立的需求。

3.3 大容量通信系統(tǒng)聯(lián)試

在實驗室環(huán)境下，搭建基于陣元交替排布的雙圓環(huán)構(gòu)型的疊層混合模態(tài)渦旋電磁波的大容量通信系統(tǒng)演示驗證環(huán)境，使用兩臺無線電軟件平臺，其中一臺作為發(fā)射機，產(chǎn)生4路PCM-BPSK調(diào)制信號進行射頻輸出，將一塊雙圓環(huán)構(gòu)型的混合模態(tài)渦旋電磁波天線陣列作為發(fā)射天線，讓軟件無線電的4個輸出端口(端口1，2，3，4)分別連接天線陣列饋電網(wǎng)絡(luò)的4個輸入端口(端口1，2，3，4，分別對應(yīng)模態(tài)+1，-1，+2，-2)，并且設(shè)定輸出射頻信號的中心頻點為4.2 GHz，碼速率設(shè)置為2.048 Mbps，軟件無線電平臺4路輸出信號功率均為-10 dBm；其次選擇另一塊雙圓環(huán)構(gòu)型的混合模態(tài)渦旋電磁波天線陣列作為接收天線，讓該天線陣列的4個饋電網(wǎng)絡(luò)端口(端口a，b，c，d)連接另一臺無線電軟件平臺的4個射頻端口(端口a，b，c，d，分別對應(yīng)模態(tài)+1，-1，+2，-2)，并將該軟件無線電平臺作為接收機，且根據(jù)發(fā)射機調(diào)制信息配置好接收機參數(shù)用于進行4路不同模態(tài)渦旋電磁波的接收解調(diào)和誤碼率測試；其中兩塊混合模態(tài)渦旋波收發(fā)天線陣列之間的距離為2 m，且軸向正對擺放，通過作為發(fā)射機的軟件無線電平臺的4個輸出端口分別給發(fā)射天線陣列4個饋電網(wǎng)絡(luò)輸入口輸入一段固定數(shù)據(jù)，進行渦旋電磁波無線收發(fā)鏈路通信功能和誤碼率測試，測試原理結(jié)構(gòu)示意如圖14所示，測試結(jié)果見表3所示。

圖14 大容量通信系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)測試結(jié)果表明，當(dāng)收發(fā)OAM模態(tài)相同的情況下，接收誤碼率Pe(bit error probability)為0，接收信號功率相對其他模態(tài)接收功率大于10 dB以上，若采取非發(fā)射模態(tài)接收天線，存在誤碼率較大，丟幀甚至長時間失鎖的情況?？傮w而言，該雙圓環(huán)天線陣列的4個端口可以正確識別對應(yīng)模態(tài)并解調(diào)出原始信號，相比模態(tài)為0的平面波無線傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了頻譜利用效率4倍的提升。

表3 大容量通信系統(tǒng)無線收發(fā)接收結(jié)果 dBm

4 結(jié)束語

本文基于渦旋電磁波模態(tài)正交的特性，結(jié)合帶狀線結(jié)構(gòu)設(shè)計了一種陣元交替排布的雙圓環(huán)構(gòu)型的疊層混合模態(tài)渦旋電磁波大容量通信系統(tǒng)。天線陣列采用的雙圓環(huán)渦旋波構(gòu)型，由32陣元均分的方式設(shè)計4種模態(tài)渦旋電磁波，其次基于帶狀線的特性設(shè)計4路1分8多層、多輸入、抗干擾的饋電網(wǎng)絡(luò)，極大提升了天饋系統(tǒng)模態(tài)隔離度和降低電磁泄漏和饋電網(wǎng)絡(luò)之間干擾；最后通過對天饋系統(tǒng)進行加工和近場、遠(yuǎn)場測試以及模態(tài)間隔離度測試，驗證生成的4種模態(tài)的正確性，最后基于該天饋系統(tǒng)，加入軟件無線電平臺作為發(fā)射源和接收源搭建混合模態(tài)渦旋大容量通信系統(tǒng)，進行模態(tài)間傳輸性能和誤碼率測試，驗證了該通信系統(tǒng)具有同時傳輸多路信號時可以正確解復(fù)用的特性，從而實現(xiàn)大容量通信。

本文設(shè)計的整個大容量通信系統(tǒng)模型簡單，占用空間小，避免了一定的安裝和加工誤差，具有相比普通平面波數(shù)倍數(shù)據(jù)量傳輸?shù)奶匦?，在航天、軍事領(lǐng)域的大容量無線通信領(lǐng)域和成像方面都具有一定的優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿Α?/p>