軌道角動量天線詳解

軌道角動量？OMG，這個是蝦米高大上的東東？不覺明歷。今天我們就來聽manman美女怎麼講解這個新鮮事物。

概論

目前人們接觸的大部分信息都是通過無線信道進行交換和傳輸。然而，隨著無線通信技術的迅猛發展，智能終端的普及以及移動互聯網應用的蓬勃發展，越來越多的移動設備投入使用，這導致了無線電波段可用頻帶的擁塞，好比高速公路車一多就要堵車一樣。為解決這一矛盾，過去十年相繼出現了密集編碼和各種信道復用技術，從 3G 的CDMA到4G的OFDM，發展到今天，這些技術已逐漸趨於成熟。儘管如此，容量需求與頻譜資源短缺的矛盾日益突出。針對這樣的情況，軌道角動量（OAM）的出，對解決這些問題將發揮重要的作用。2013年，大唐電信5G白皮書將軌道角動量復用技術列為下一代通信系統可能採用的標準技術之一。

軌道角動量（OAM）理論

經典電磁場理論所描述，電磁場不僅傳播能量，也攜帶動量。動量又分為線性動量和角動量。角動量包括自旋角動量（SAM）和軌道角動量（OAM）。受螺旋相位因子的影響，電磁渦旋的相位波前不再是平面結構，而是成為螺旋狀，繞著波束的傳播方向旋轉，旋轉一周波束的相位改變如下：

圖1 電磁渦旋波的相位波前

攜帶軌道角動量的無線電波束，利用本徵值不同的軌道角動量的正交特性，將多路信號調製在不同的OAM模式上，根據模式數區分不同的信道，在相同載頻上可以得到多個相互獨立的OAM信道，可以實現在同一頻率上傳輸多路電磁渦旋信號，實現多模復用，這將在不增加系統帶寬的情況下，極大地增加系統容量，有效地解決無線通信頻譜資源貧乏問題，提高頻譜利用率，同時由於各本徵值正交的特點，從而提高了抗干擾能力。

軌道角動量天線

目前，用於產生OAM 的天線主要分為以下幾種：修正的螺旋拋物面天線，環形陣列天線，圓形微帶天線。

修正的螺旋拋物面天線設計方法在理論上來說，通過調整開口兩端之間的高度差，可以產生任意模式的軌道角動量電磁波。但是，螺旋拋物面天線相對來說體積偏大，一個確定的幾何結構只能產生一個模式的軌道角動量波束，在實際移動通訊領域會造成不便。

圖2 修正的螺旋拋物面天線

環形陣列天線通過控制陣元的激勵相位，可以有效的產生具有軌道角動量的螺旋波束。

圖3 圓環形天線陣

2013年，有人用圓環形Vivaldi天線陣產生了軌道角動量電磁波。在他們的設計中，8個Vivaldi 天線陣元連成一個圓柱，對8個Vivaldi 天線饋電的強度相同，相鄰陣元間有相同的相位差。下面是圓形Vivaldi天線陣示意圖:

圖 4 Vivaldi天線陣

圖 5 天線輻射場矢量圖和場強分布圖

環形Vivaldi 天線陣是環形天線陣的發展，無論陣元是偶極子抑或是Vivaldi 天線，相鄰陣元之間饋電存在的相位延遲，使得在圍繞傳輸軸轉一周以後，相位落後，因此輻射場在平面上也具有的相位差，繼而得到軌道角動量。兩者產生的原理都是利用對環形陣列的饋電存在相位差使得陣元輻射場相互疊加從而產生攜帶軌道角動量的電磁波。

為了獲得更為簡單的天線模型來產生軌道角動量電磁波，2014年，有人利用微帶天線的諧振腔模型法來對圓形貼片微帶天線進行了研究，得到了攜帶軌道角動量的電磁波束。利用兩個同軸線對圓形貼片進行饋電，使其激勵出兩種模式。進一步簡化模型，用一根同軸線對橢圓貼片天線進行饋電，就可得到攜帶軌道角動量的電磁波。對於圓形微帶天線，其基本模型如下：

圖6 圓形微帶天線

研究者利用微帶天線圓極化高階模式來產生具有軌道角動量的輻射場。工作在更高階的圓形微帶天線的輻射相位分布圖也是與非0階的軌道角動量的表現形式一致。即在傳播軸上，輻射場呈現出主波瓣有空洞的現象。

結語

渦旋電磁波作為一項新技術，可以極大地拓寬無線通信的容量，將有效地解決無線通信頻譜資源匱乏問題，給無線通信帶來革命性的影響，基於提升無線通信系統容量以及頻譜利用率的技術需求，軌道角動量技術將會越來越多的運用於無線通信領域，以順應移動互聯網的快速發展。

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