文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.06.008
中文引用格式: 黨唯菓,朱永忠,余陽,等. 無線通信中的軌道角動量天線綜述[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2017,43(6):33-36,44.
英文引用格式: Dang Weiguo,Zhu Yongzhong,Yu Yang,et al. A survey on orbital angular momentum antennae in wireless communication[J].Application of Electronic Technique,2017,43(6):33-36,44.
0 引言
近年來,為緩解頻譜資源緊張與無線業(yè)務(wù)需求日益增長之間的矛盾,各種無線電技術(shù)應(yīng)運而生。其中,軌道角動量(Orbital Angular Momentum,OAM)技術(shù)獨辟蹊徑,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)測了電磁場角動量的力學(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模的兩路信號在442 m外被成功接收,初步驗證了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)計也成為目前的重點。為此,本文綜述了典型的OAM天線類型和具體實現(xiàn)形式,從實用角度總結(jié)了其各自方向圖、接收、解復(fù)用等方面的優(yōu)缺點,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原理簡介
長期以來,無線通信的信息調(diào)制主要基于電磁場的線性動量,在時域、頻域上進(jìn)行。然而,如經(jīng)典電動力學(xué)理論所述,電磁場不但傳播線性動量,也傳播角動量J(Angular Momentum,AM):
角動量J由軌道角動量L和自旋角動量(Spin Angular Momentum,SAM)S構(gòu)成:
2 軌道角動量天線的常見形式
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,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。實驗發(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,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由分別加工的獨立模塊拼接起來[4],精度較好,實現(xiàn)了100 GHz上l=±10的OAM波傳輸。
目前,已有一種多信道SPP無線傳輸系統(tǒng)[5]使用5個SPP,實現(xiàn)了32 Gbit/s的總傳輸速率。SPP產(chǎn)生OAM波原理簡單,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)對比如圖4所示,為了完全接收已因長途傳輸散開的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,收發(fā)天線陣應(yīng)嚴(yán)格對正,使陣中心軸應(yīng)位于一條直線上,否則信道容量會顯著降低,螺旋相位波前將被嚴(yán)重破壞,最低可使信道容量相對于收發(fā)天線對正時下降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]、光實時延時技術(shù)(OTTD)[14-16]、時間選擇開關(guān)陣[17-18]等方案。
總體來說,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簡單。一種32 GHz的折疊式反射陣OAM天線已被實現(xiàn),它通過每個微帶陣元引起的相位延遲來形成渦旋相位[19]。
2.4 多點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]。
總體來看,多點饋電的圓形諧振腔天線結(jié)構(gòu)緊湊,饋電簡單,方向圖相對于UCA更接近于全向天線;但實驗顯示目前其傳輸距離仍然較近,離實用尚有差距。
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)計的亞波長微結(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期課題上,OAM的應(yīng)用標(biāo)志著現(xiàn)代無線通信已向一個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)境的高速無線傳輸?shù)?。業(yè)界正致力于實現(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?,在天線方面還有如下問題:
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)對相位敏感,遠(yuǎn)場區(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)格對正[10]。這將對OAM應(yīng)用于移動通信產(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現(xiàn)。
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作者信息:
黨唯菓,朱永忠,余 陽,張葉楓
(武警工程大學(xué) 信息工程系,陜西 西安710086)