《電子技術(shù)應(yīng)用》
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無線通信中的軌道角動量天線綜述
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第6期
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
摘要: 隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展,射頻頻譜資源已日趨香農(nóng)極限。軌道角動量(Orbital Angular Momentum,OAM)理論上能提供無限多個正交信道, 有效提高頻譜利用率。介紹了OAM的基本原理;綜述了目前典型的OAM天線種類及其具體實現(xiàn)形式,著重分析其在增益、方向圖、接收和解復(fù)用等方面的優(yōu)缺點;最后梳理了目前各種天線存在的共性問題,展望了下一步OAM在無線通信領(lǐng)域可能的應(yīng)用方向。
關(guān)鍵詞: 軌道角動量 天線 無線通信
中圖分類號: TN929.5
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.
A survey on orbital angular momentum antennae in wireless communication
Dang Weiguo,Zhu Yongzhong,Yu Yang,Zhang Yefeng
Department of Information Engineering,Engineering University of People′s Armed Police,Xi′an 710086,China
Abstract: With the rapid development of wireless communication technology, spectrum resource in radio frequency is reaching Shannon Limit. Orbital angular momentum(OAM) can theoretically provide infinite orthogonal channels and use spectrum resources effectively. Basic theory of OAM is briefly introduced at the beginning of this paper, then typical forms and specific realization of OAM antennae are concluded, in which their merits and drawbacks in gain, radiation pattern, receiving and demultiplexing are focused on. Finally, common problems of present OAM antennae are summarized, and prospect of their appliance in wireless communication in near future is made.
Key words : orbital angular momentum;antenna;wireless communication

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):

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    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:

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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:

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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zs2-gs6-x1.gif變化的孔密度分布,從而引起介電常數(shù)的變化,引入隨zs2-gs6-x1.gif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]。

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    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zs2-2.3.1-x1.gif的激勵饋電,l為OAM模數(shù),-N/2<l<N/2。在圓周上,隨著zs2-gs6-x1.gif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。

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    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。

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    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]

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    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]。

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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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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)

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