《电子技术应用》

无线通信中的轨道角动量天线综述

2017年电子技术应用第6期 作者:党唯菓,朱永忠,余 阳,张叶枫
2017/7/4 13:26:00

党唯菓,朱永忠,余  阳,张叶枫

(武警工程大学 信息工程系,陕西 西安710086)


    摘  要: 随着无线通信技术的飞速发展,射频频谱资源已日趋香农极限。轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)理论上能提供无限多个正交信道, 有效提高频谱利用率。介绍了OAM的基本原理;综述了目前典型的OAM天线种类及其具体实现形式,着重分析其在增益、方向图、接收和解复用等方面的优缺点;最后梳理了目前各种天线存在的共性问题,展望了下一步OAM在无线通信领域可能的应用方向。

    关键词: 轨道角动量;天线;无线通信

    中图分类号: TN929.5

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.06.008


    中文引用格式: 党唯菓,朱永忠,余阳,等. 无线通信中的轨道角动量天线综述[J].电子技术应用,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

    近年来,为缓解频谱资源紧张与无线业务需求日益增长之间的矛盾,各种无线电技术应运而生。其中,轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)技术独辟蹊径,将传统平面波扭曲成涡旋电磁波,利用不同模态涡旋电磁波间的正交性增大无线通信容量,引起了学界的广泛关注。

    OAM的存在虽早已被理论证明,但直至21世纪初才首先在光波段取得进展:1909年,Poynting从理论预测了电磁场角动量的力学效应;1992年,Allen发现OAM是螺旋相位光束的自然属性;2004年,Gibson等人提出利用光的不同模态可进行信息的独立调制和传输。随着OAM在光通信中的应用日趋成熟[2]以及射频频谱资源日趋饱和,该技术开始被应用于射频段。2011年,同频带下不同OAM模的两路信号在442 m外被成功接收,初步验证了OAM提升信道容量的可行性[1]。虽然还存在方向性欠佳、远距离接收困难等局限,但OAM能极大提升频谱利用率的可观前景仍使相关研究方兴未艾,相应收发天线的设计也成为目前的重点。为此,本文综述了典型的OAM天线类型和具体实现形式,从实用角度总结了其各自方向图、接收、解复用等方面的优缺点,指出了OAM天线目前存在的问题和解决方案,为下一步的发展提供参考。

1 OAM原理简介

    长期以来,无线通信的信息调制主要基于电磁场的线性动量,在时域、频域上进行。然而,如经典电动力学理论所述,电磁场不但传播线性动量,也传播角动量J(Angular Momentum,AM):

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    角动量J由轨道角动量L和自旋角动量(Spin Angular Momentum,SAM)S构成:

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2 轨道角动量天线的常见形式

2.1 螺旋相位板天线(Spiral Phase Plate,SPP)

    此种天线通过螺旋状的空间结构,扭曲入射平面电磁波的相位波前,引入相位因子,使反射或透射波成为涡旋电磁波。SPP示意图如图2所示,这种方法直接源于光波段,是最早用于产生射频OAM波的方法。通过改变螺旋相位板阶梯高度Δh,可以产生多种模态值l:

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其中,l为OAM模值,λ是透射波波长,n是相位板材料折射率。由于很难得到连续平滑的单阶梯螺旋,实际中多采用多阶梯相位板的近似形式。此外,SPP还有一种多孔结构。多孔型相位板具有随方位角zs2-gs6-x1.gif变化的孔密度分布,从而引起介电常数的变化,引入随zs2-gs6-x1.gif变化的相位延迟。实验发现,类似于SPP用几何结构引入螺旋相位的原理,由轴向模螺旋天线馈电的普通抛物面天线,也可产生单模OAM波[3]

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    当模数较高时,Δh较大,SPP的加工难度增大,尤其是靠近传播轴的圆心部分。一种模块化的SPP由分别加工的独立模块拼接起来[4],精度较好,实现了100 GHz上l=±10的OAM波传输。

    目前,已有一种多信道SPP无线传输系统[5]使用5个SPP,实现了32 Gbit/s的总传输速率。SPP产生OAM波原理简单,成本较低,但复用、解复用不够方便,且波束能量分散,难以远距离传输。

2.2 透射光栅天线

    此种天线采取类似于SPP的思路,用透射光栅将平面波变为OAM波。用计算机仿真出所需OAM模的相位干涉图案后,再根据仿真数据即可钻刻出相应的介质光栅。

2.3 阵列天线

2.3.1 等距圆阵(Uniform Circular Array,UCA)

    产生OAM波的等距圆阵包含N个等距分布在圆周上的相同阵元,相邻阵元用等幅、相位差为zs2-2.3.1-x1.gif的激励馈电,l为OAM模数,-N/2<l<N/2。在圆周上,随着zs2-gs6-x1.gif从0到2π,N个阵元共引入2πl的相位差,形成螺旋形的相位波前。2010年,正是基于UCA,Mohammdadi等人首次系统地讨论了产生射频OAM的方法[6]。目前UCA仍是OAM天线的主要结构之一。UCA的一般形式如图3所示。

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    UCA两主瓣呈叉波束的形式。随着传输距离增加,能量迅速分散,使OAM波接收困难。对此,经理论证明,一种偏角孔径接收(Partial Angular Aperture Receiving,PAAR)的方法能用2π/N的角孔径,对OAM模数为l+mN(l为基模,m为整数,N为阵元数)的谐波组正确接收并解复用[7]。PAAR与全角孔径接收(Whole Angular Aperture Receiving,WAAR)对比如图4所示,为了完全接收已因长途传输散开的OAM波束,WAAR将使接收天线很大。

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    减小叉波束夹角的一般的办法有:增强阵元方向性、增大UCA阵直径等。但UCA阵直径越大,副瓣也越突出。另外,法布里-珀罗(Fabry-Perot,FP)腔也可以增强UCA的方向性。置于FP腔后,一种2.5 GHz的4元矩形贴片阵的增益被增大到16.2 dB[8]

    仿真一种6 GHz的8元维瓦尔第天线UCA时发现,由于阵元的宽带特性,此种UCA产生l=±1的OAM波时没有叉波束[9]。这是罕见的,有待进一步研究利用。

    UCA传输OAM波时,收发天线阵应严格对正,使阵中心轴应位于一条直线上,否则信道容量会显著降低,螺旋相位波前将被严重破坏,最低可使信道容量相对于收发天线对正时下降9.5~10 bps/Hz[10]

    另外,UCA的移相馈电网络也将增加实际系统的复杂度。目前UCA馈电主要有微带线[11-12]、巴特勒矩阵[13]、光实时延时技术(OTTD)[14-16]、时间选择开关阵[17-18]等方案。

总体来说,UCA结构复杂,产生的OAM叉波束夹角较大,远距离接收、解复用比较困难。

2.3.2 反射阵

    此种阵列天线用单馈源向周期性单元组成的反射面馈电,以获得反射的OAM波。反射阵不需要移相馈电网,结构比UCA简单。一种32 GHz的折叠式反射阵OAM天线已被实现,它通过每个微带阵元引起的相位延迟来形成涡旋相位[19]

2.4 多点馈电的圆形谐振腔天线

    在圆形谐振腔中,两种本征模叠加可形成成OAM模;因此,多点馈电的圆形谐振腔可作为OAM波天线。此外,依据类似的原理,单点馈电的椭圆形谐振腔[20]和介质谐振器[21]也能产生OAM波。基于半模基片集成波导的双模OAM天线结构如图5所示[22-23]

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    一种基于环形谐振腔的双模缝隙天线已应用于毫米波段,能同时在同一方向产生l=±3的OAM波,且有较好的方向性[24]

    总体来看,多点馈电的圆形谐振腔天线结构紧凑,馈电简单,方向图相对于UCA更接近于全向天线;但实验显示目前其传输距离仍然较近,离实用尚有差距。

2.5 人工电磁表面天线

    不同于SPP通过几何形状引入螺旋相位的方法,人工电磁表面天线通过人工设计的亚波长微结构单元改变入射平面波的电磁特性,从而获得反射或透射的OAM波。人工电磁表面工艺相对复杂,可灵活调节入射波的极化、相位等特性,结构扁平易集成,应用前景广阔。图6所示为一种电磁超表面,可同时反射出两种模态(l=1,2)的水平、垂直极化OAM波[25]

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3 总结与展望

    在如何提高频谱资源利用率这一长期课题上,OAM的应用标志着现代无线通信已向一个全新的方向迈出了第一步。当前,射频OAM的应用基本限于高频(如光波、毫米波)短距离通信,如室内环境的高速无线传输等。业界正致力于实现1 000 m内视距条件下OAM的可靠传输,高效可靠的天线是其中的关键。本文在综述当前典型的OAM天线后认为,OAM走向实用,在天线方面还有如下问题:

    方向图特性欠佳。大多数OAM天线的方向图都呈现不同程度的叉波束,使天线增益难以扩大,传输距离难以提升,接收天线难以小型化。改善天线的方向图是当前最直接的任务。

    抗干扰能力欠佳。OAM系统对相位敏感,远场区可承受的相位误差典型值约为π/8[6],为此通常要求收发天线严格对正[10]。这将对OAM应用于移动通信产生重大限制。一种能在复杂环境下可靠解复用的接收天线亟待实现。

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