共口径多模态涡旋电磁波复用技术研究

Due to the orthogonality between different modes, the twisted waves carrying orbital angular momentum provide a new research direction for improving the spectrum efficiency of communication system. Multi-mode twisted wave multiplexing technology has become a hot spot in recent years. The use of a single aperture to generate and detect multiple modes of twisted-wave can greatly reduce the cost of wireless communication system, conforming to the trend of miniaturization, large capacity and high spectrum efficiency of wireless communication system. This proposal focuses on the shared-aperture multi-mode twisted wave multiplexing technology. Firstly, based on the mode superposition theory, a scheme to generate high-purity broadband twisted wave using high-order modes in the antenna structure is proposed. Secondly, based on multi-mode technology, simultaneously excited multiple high-order modes in the same frequency band and same aperture are used to generate shared-aperture mutli-mode twisted wave. Thirdly, based on the measured data, the spatial propagation model of the multi-mode twisted wave is established, and the lens antenna is used to make correction and compensation for the differences in the spatial propagation of different modes, to finally realize the generation and detection of multi-mode twisted wave in a single aperture. The research results of this project will provide technical surpport for the twisted wave multiplexing, which has important theoretical significance and engineering application prospect.

携带有轨道角动量的涡旋电磁波，由于不同模态间的正交性，为提高通信系统频谱利用率提供了新的研究方向。多模态涡旋电磁波复用技术近年来成为研究的热点。利用单一口径产生及检测多个模态的涡旋电磁波，能够大幅度降低无线通信系统的构建成本，顺应无线通信系统小型化、大容量、高频谱利用率的发展趋势。本课题围绕共口径多模态涡旋电磁波复用技术展开研究：（1）基于模式叠加理论，提出利用天线结构中的高阶模式实现高纯度宽频带涡旋电磁波的产生方案；（2）采用多模技术，在相同频段、单一口径内激励多个高阶模式，结合模式叠加理论，实现单一口径多模态涡旋电磁波的产生；（3）基于测量数据，建立多模态涡旋电磁波空间传播模型，利用透镜天线，对不同模态涡旋电磁波空间传播的差异性进行有针对性的修正补偿，最终实现共口径多模态涡旋电磁波的产生与检测。本项目的研究成果将为涡旋电磁波复用技术提供必备的技术储备，具有重要的理论意义和工程应用前景。

携带有轨道角动量（Orbital Angular Momentum, OAM）的电磁波（又称涡旋电磁波）作为一种新型的无线通信载波方式，由于其不同模态之间相互正交的特性，为实现高速率信息传输、提高频谱利用率提供了一个新的研究方向。多模态涡旋电磁波复用技术近年来成为研究的热点。本项目基于涡旋电磁波模式多样性和正交性的特点，以涡旋电磁波天线作为研究对象，开展研究工作。课题组重点对高纯度涡旋电磁波的产生、多模态涡旋电磁波的共口径辐射与接收、高方向性涡旋电磁波天线设计等几个方面开展研究，创新性的提出了高阶模式叠加方法应用于涡旋电磁波的产生，有效的解决了传统方法纯度低、带宽窄等突出问题。基于所提出的方法先后设计了基于多模介质谐振器天线的涡旋电磁波天线、多模涡旋电磁波喇叭天线等不同类型的天线。设计了具有高方向性系数的涡旋电磁波透射阵列天线。同时，为了快速的完成涡旋电磁波天线近场测试，在本项目支持下，课题组搭建了近场测试系统，提供了快速的测试方法。此外，课题组对天线的多模式理论进行了细致深入的研究，并以此为基础，提出了多端口模式分集天线的概念，并将其应用于多端口天线设计之中，实现了一系列应用于MIMO无线通信的新型天线设计。.在本项目的支持下，课题组在涡旋电磁波产生与检测、涡旋电磁波天线设计、多模天线设计等领域先后发表了10篇期刊论文，其中8篇发表于IEEE Transactions on Antennas and Propagation杂志，先后有6人次参加国内外学术交流会议，发表会议论文4篇，其中3篇为分会报告，1篇为分会特邀报告。课题组在本项目支持下，申请专利3项，授权3项。在本项目支持下，共培养课题组研究生6名，其中，博士研究生2名，硕士研究生2名。已毕业博士研究生1名，在读博士研究生1名，已毕业硕士研究生1名，在读研究生3名。.本项目的主要研究成果能够应用于多模天线设计、MIMO天线设计等多个领域，具有较高的工程应用价值。