微波集成OAM波束产生、传输及抗衰落研究

Orbital angular momentum (OAM) of Laguerre-Gaussian beams can form infinite dimensional Hilbert spaces. Therefore, a carrier using OAM muliplexing will have infinite transmission capacity theoretically. However, the excitation of spiral beam with arbitrary mode number is the premise for study the impact of transmission condictions, weather conditions and radio interference on OAM spiral beam. Also it is a key step towards the realization of efficient OAM multiplexing transmission. Whispering Gallery Mode (WG mode) is a kind of morphology-dependent resonance. It is one of the key technologies for realizing OAM multiplexing in the filed of free-space optical communication. Recently, we found that if a textured metal structure is bent around to form a closed loop, spoof surface WG mode can be excited. It is expected to realize the spiral beam with a high mode number, and then achieve OAM muliplexing at microwave band, which can improve the spectrum utilization. Therefore, this project aims to study the characteristic and mechanism of spoof surface WG mode, the mechanism for the exciation of spiral beam with a high mode number, and the principle of microwave OAM mulitplexing transmission. A prototype for microwave integrated OAM transceiver will be designed using the textured metal resonator ring, based on microstrip technology. Experiment and transmission test will be carried out under the special climatic and geographical environment conditions of Yunnan Province, with the aim to solve the common basic theoretical and key technique issues to promote the theory and application research of microwave integrated OAM multiplexing.

具有轨道角动量(OAM)的拉盖尔-高斯波束可以构成无穷维希尔伯特空间，因此，理论上相同的载频下利用OAM复用可获得无穷的传输能力。而如何产生具有任意模式数的涡旋波束，是研究涡旋波束与传播环境、气候条件和干扰相互作用的前提，是实现OAM高效复用传输的关键。回音壁(WG)模是一种形态依赖的谐振模式，是实现自由空间光OAM复用的核心技术之一。最近我们发现，若将褶皱金属结构弯曲形成闭环，则能够形成类表面WG模，有望在微波频段产生高模式数涡旋波束，实现微波集成OAM复用，提高无线电频谱利用率。因此，本项目拟研究类表面WG模产生机理和激励方法，以及基于类表面WG模产生微波集成涡旋波束的机理和OAM复用传输原理，结合微带技术设计基于褶皱金属环形谐振器的微波集成OAM收发器，并在云南省特殊的地理环境和气候条件下进行传输实验，解决共性基础理论和关键技术问题，促进微波集成OAM复用的基础理论和应用研究。

本项目研究了类表面等离子体激元现象、激励方法及类表面WG模的产生和OAM复用传输原理，并以微带平面电路技术为基础，研制微波集成 OAM收发器原型；进行了OAM传输模拟和测试，研究了信道衰落对OAM传输的影响，并探索了抗信道衰落的方法。详述如下：①基于模式展开理论，研究了褶皱金属结构模型及其谐振性能，设计了双T型周期阵列结构环形谐振器模型，采用微带传输线激励获得了类表面WG模，为基于表面回音壁模产生OAM波束奠定了基础。②研究了平面结构产生OAM的方法，设计了一种工作在X波段的宽带多模轨道角动量天线，由旋转排列的三角形均匀圆阵列及馈电网络组成，天线的-10dB带宽范围为9.33GHz～10.37GHz，达到1.04GHz，总的效率为52%；在圆形贴片天线上加入几何微扰，得到了一种椭圆形微带贴片结构，并实现在单个馈电点情况下产生模式为2的OAM螺旋波束，对椭圆微带贴片天线的接收特性进行仿真，在此基础上设计了天线原型，并采用软件无线电模块USRP搭建了无线OAM传输系统。③研究了石墨烯表面等离子体激元的传输特性，并基于石墨烯进行OAM天线的设计。结果表明，当化学势为1meV时，石墨烯的阻抗非常高，可达到105Ω/m，偶极子天线能够正常工作；而当化学势等于0.5eV时，石墨烯薄膜的阻抗仅为5.7Ω/m辐射很弱，天线的工作状态处于关闭状态，天线的辐射特性可以通过改变化学势进行调节。④研究了射频圆环谐振器产生的轨道角动量的原理，并提出了基于阿基米德螺旋线产生宽带OAM的方法，设计了单臂、多臂和紧凑型多臂螺旋天线，并通过理论分析进行了证实。结果表明，设计的双臂螺旋天线在1.16-9.13GHz范围内具有优良的阻抗匹配特性。⑤分别建立了AWGN信道和多径信道下的OAM传输系统模型，通过仿真验证了信道特性和信道衰落对OAM传输的影响，分析了OAM复用传输系统的性能，验证了OAM模式的正交性、安全性，以及高效利用频谱的原理。研究了无线电监测和电磁频谱安全问题，开发了谱传感节点和相关技术，实现了科技成果转化。