无线通信中的轨道角动量天线综述

Ｒｅｖｉｅｗ　ａｎｄ　Ｃｏｍｍｅｎｔ　无线通信中的轨道角动量天线综述　党唯菜，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：党唯菜，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　ａ１．Ａ　ｓｕｒｖｅｙ　ｏｎ　ｏｒｂｉｔａｌ　ａｎｇｕｌａｒ　ｍｏｍｅｎｔｕｍ　ａｎｔｅｎｎａｅ　ｉｎ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｃｏｍｍｕ—　ｎｉｃａｔｉｏｎ［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　ｄｅｍｕｈｉｐｌｅｘｉｎｇ　ａｒｅ　ｆｏｃｕｓｅｄ　ｏｎ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｃｏｍｍｏｎ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｏｆ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ＯＡＭ　ａｎｔｅｎｎａｅ　ａｒｅ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ，ａｎｄ　ｐｒｏｓｐｅｃｔ　ｏｆ　ｔｈｅｉｒ　ａｐｐｌｉａｎｃｅ　ｉｎ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｃｏｒｎ—　ｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｎｅａｒ　ｆｕｔｕｒｅ　ｉＳ　ｍａｄｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｏｒｂｉｔａｌ　ａｎｇｕｌａｒ　ｍｏｍｅｎｔｕｍ；ａｎｔｅｎｎａ；ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　

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（０ｒｂｉｔａｌ　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［２１以及射频频谱资源　１３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．，　（Ａｎｇｕｌａｒ　Ｍｏｍｅｎｔｕｍ，ＡＭ）：　ｒ　．，＝Ｉ　ｓｏＢｘＲｅ｛ＥｘＢ　｝ｄＶ　（１）　

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

基金项目：国家自然科学基金（６１３０２０５１）；陕西省自然科学基金（２０１２ＪＱ８０２６）　武警工程大学基础研究项目（ＷＪＹ２０１６０６）　

《电子技术应用》２０１７年第４３卷第６期　３３　综述与评论　Ｒｅｖｉｅｗ　ａｎｄ　Ｃｏｍｍｅｎｔ　Ｊ＝Ｌ＋Ｓ　（２１　表示电子的自旋，与极化相关；Ｌ　Ｉ太，Ｊ÷Ｉ乜予绕传　播轴旋转，　Ｅ使电磁波的相位波前呈涡旋状　、ｊ　ＩＩ一：　ｆ　—　Ｌ＝８ｔ　Ｒｅ｛ｉ　Ｅ　（Ｌ·Ａ））（ｉ　（３）　

ｓ＝　ｊ　Ｒｅ｛Ｅ　×Ａ｝《ＩＶ　（４）　其　Ｉ一，Ｌ＝一ｉ（，．×　）为轨道角动量算　，ｊ为虚数　化，Ａ　为ｌ，人　位函数．．　有ＯＡＭ的涡旋电嗽波场　町　示　为：　（／（ｒ）＝４（ｒ）　（５）　其１Ｉｔ．　４（ｒ）为电磁波的幅值．ｒ表示刨波　Ｉ１．　轴线的辐　射　离；ｔ　为卡【ｉ位旋转因子，　为方　『ｆＪ，　数，为ＯＡＭ　使值　旧，的（）ＡＭ波守　结构不¨，¨．卡¨　｛：Ｊ卜交，提　供Ｊ’频域、时域之外的令新复ｆ｝ｊ　Ｆ｛Ｉｌ１度　【ｆｉｆ波和『＿ｌ　的（）ＡＭ波的等卡【Ｉ他【［【『如　ｌ所示　模为，的（）ＡＭ波，　绕传输轴旋转一　，ｌ卡Ｈ位波前进２盯』　

叼　

ｌ　同渡【左）和ｌ＝１的０ＡＭ波ｆ　）的等州位　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）　此种人线通过螺旋状的空问结恂．于儿曲入射平　电　磁波的卡¨他波前，引入相位因子，使反９１ｊ或透射波成为　涡旋电磁波　Ｓｔ　Ｐ求意　如图２所，Ｊ÷．这种力‘法ｆ『接源　于光波段，足最　用于产牛射频０ＡＭ波的方法通过改　变螺旋中¨化板阶梯高度△＾，口ｆ以产，Ｉｉ多种卡｝ｌ态　，：　Ａｂ＝ＩＡ／（ｎ—１）　（６）　ｌｆＪ，ｌ为（）ＡＭ模值，Ａ是透射波波Ｋ．『Ｊ足十｝】化板材料　折射牟　ｌｔｌ于很难得到连续平滑的　阶梯螺旋，实际ｌ｝ｌ　多采川多阶梯十｝｛位板的近似形式　此外，Ｓ１）Ｉ】还仃一千叶１　多孔结构　多扎型卡Ｉｊ化板具有随方位『ｆＪ　变化的孔密度　分布，从而引起介电常数的变化，引入随　变化的卡ＩＩ位　延迟　实验发现，类似于ＳＰＰ用几何结构ｆｊｌ入螺旋卡ｆＩ位　

３４　波　

撕｜．－　

罔２　ＳＩ　Ｐ示意网　欢迎网上投稿ＷＷＷ．ＣｈｉｎａＡＥＴ．ｔｏｍ　

的原理，　轴向模螺旋＿火线馈电的普通抛物面天线，也　口ｒ产生单模ＯＡＭ波　Ｉ　当模数较高时，△＾较人，ＳＩ　Ｐ的加工难度增大，尤其　是靠近传播轴的网心部分、一乖ｆ，模块化的ＳＰＰ由分别加　Ｔ的独立模块拼接起来１　４Ｉ，精发较好，实现ｒ　ｌ００　ＧＨｚ上　２＝±１０的ＯＡＭ波传输　、　前，已有一种多　道Ｓ１）『）无线传输系统　Ｉ使Ｈｊ　５　个ＳＰＰ，实现了３２　Ｇｂｉｉ／ｓ的总传输速率　ＳＰＰ产乍ＯＡＭ　波原理简单，成本较低，　复ＪｔＪ、解复川不够方便，且波　束能　分散，难以远趴离传输　２．２透射光栅天线　此种天线采取类似十ＳＰＰ的思路，刚透射光栅将平　面波变为ＯＡＭ波。川汁　机仿真出所需０ＡＭ模的相　位Ｔ涉　案后，再根挑仿　数据即Ｉ１Ｉ钻划出卡Ｈ啦的介　质光栅　２．３阵列天线　２．３。１等距圆阵（Ｕｎ＿ｆｏｒｍ　Ｃｉｒｃｕｌａｒ　Ａｒｒａｙ，ＵＣＡ）　产，　ＯＡＭ波的等距恻阵包含，ｖ个等距分布　圆周　的相同阵元，相邻阵元Ｊ｝＋ｉ等幅、卡¨位差为△　＝２￣ｒｌｌＮ　的激厂肋馈电，ｆ为０ＡＭ模数，一Ｎ／２＜Ｉ＜Ｎ／２　在　周上，随　着　从Ｏ到２ｒｒ，Ｎ个阵冗共引入２丌Ｚ的卡ｆＪ位差，形成螺　旋形的相他波前。２０ｌＯ年，ＪＩ　是甚于ＵＣＡ，Ｍｏｈａｌｍｎｄａｄｉ　等人苗　次系统地讨论ｒ　Ｊ　：生射频ＯＡＭ的方法　１。Ｆ１前　ＵＣＡ仍是（）ＡＭ天线的主　纳卡勾之一　．ＵＣＡ的一般形式　曳ｆ】　３所示。　

罔３　ＵＣＡ的　般形』　ＵＣＡ曲主瓣呈义波束的形式　随着传输距离增加，能　超迅速分散，使ＯＡＭ波接收　难　、埘此，经理沦证叫．一种　偏角孔径接收（Ｐａｒｔｉａｌ　Ａｎｇｕｈｎ‘Ａｐｅｒｔｕｒｅ　Ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ，ＰＡＡＲ）　的方法能用２ｒｒｌＮ的角孔　．对０ＡＭ模数为ｌ＋ｍＮ（１为基　摸，ｍ为整数，Ⅳ为阵元数）的谐波组正确接收并解复用１　７１　ＰＡＡＲ与全角孔径接收（Ｗｈｏｌｅ　Ａｎｇｕｌａｒ　Ａｐｅｒｔｕｒｅ　Ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ，　ＷＡＡＲ）对比如图４所禾，为ｒ完　接收已冈长途传输散　开的【）ＡＭ波束，ＷＡＡＲ将使接收人线很大。　减小义波束夹角的一般的办法有：增强阵厄方向　性、增大ＵＣＡ阵直径等。但ＵＣＡ阵直径越大，副瓣也越　突ｍ。另外，法布里一珀罗（Ｆａｈｒｖ—Ｐｅｒｏｔ，ＦＰ）腔也町以增强　《电子技术应用》２（）１７年第４３卷第６期