OAM波的传播特性及OAM天线的研究

With the rapid development of wireless communications and other applications, electromagnetic resources become the bottleneck constraints. The electromagnetic wave, which carrys orbital angular momentum (OAM),has the rotation characteristic in transverse field, introduces the new physical parameter of OAM, thus provides a new spatial dimension and offers a potential solution to solve the shortage of spectrum resources. Based on the electromagnetic theories of vector field, by theoretical analyses, simulations and measurements in near-field and far-field, the project will study the OAM wave's electromagnetic field structure, distribution, polarization and propagation characteristics; study the physical and mathematical formulation and measurement methods of OAM; study the generation of OAM wave with antenna array, the formulation and measurement methods of OAM antenna's performance, the reciprocity performance of OAM antenna; study the reception of OAM wave and the corresponding space-time signal processing algorithms. From the perspective of using antenna array and multichannel transceiver, the OAM system is very similar to the MIMO system or smart antennas. The project will study the contribution of OAM in increasing communication capacity through theoretical analysis, simulation and experimental validation. Then, we will compare the OAM system with other multi-antenna systems to verify its application prospect in wireless communication. Therefore, the project will build a platform to study propagation of OAM wave and the performance of OAM antenna, and a platform to verify the feasibility of OAM communication system.

随着无线通信及其它应用的迅速发展，电磁资源成为瓶颈。携带轨道角动量（OAM）的电磁波具有横向旋转特性，引入了OAM这个新的物理参数，从而提供了新的空间维度，为解决频谱资源短缺提供了新的途径。本课题将从矢量电磁场理论出发，通过理论分析、仿真和近场远场测量研究OAM波的电磁场结构及分布、极化和传播特性；研究OAM这个新参量的物理和数学表述及测量方法；研究产生OAM波的天线阵列形式，天线OAM性能的表述和测量方法，OAM天线的互易性能；研究OAM波的接收技术和相应的时空信号处理算法。从采用天线阵列和多信道收发信机的角度，OAM系统很类似MIMO系统或智能天线。本课题将通过理论分析、仿真和实验验证研究OAM对增加通信容量的贡献，然后与其它多天线系统进行对比，确认OAM系统在无线通信中的应用前景。为此，本课题将建立OAM波传播特性和OAM天线性能的测量平台，建立OAM波通信的实验平台。

研究背景.轨道角动量的概念来自于力学和量子力学。对电磁波而言，它表示电磁波在传播过程中除了自旋（圆极化）外还有一个绕轴的转动，称为OAM波或涡旋波。不同OAM模式间相互正交，可以看成独立信道，如果能开发这个新的维度，将大大提高通信容量。.研究内容：.1、在理论研究方面，进行了OAM波的数学表述、产生原理及测试技术极限等的研究，得到了OAM波的傍轴近似和球面近似及其分界线，用阵列传递函数的本征值分析得到容量和角动量测量方法。.2、提出了四种典型的OAM波天线阵列及天线结构，其中二种是阵列天线，它们可以实现全部模式的通信，保证高的正交性，实现容量的多倍增加，极化任意；第三种采用环形腔，它尺寸小，结构简单，可用于特定模式。第四种采用相位板，即平板天线将高斯波束转化为OAM波束；我们还提出了多种新型天线单元的结构，它们可以用于更多的应用环境；.3、建立了二套实验系统，一套用于OAM波的场结构测量，由被测天线阵列，九路2GHz发射机，近场扫描系统，网络分析仪及控制系统组成。它可以在不同距离上测量分析任意模式的电磁场横向分布；另一套由2GHz九路发射机/接收机组成，它可以同时收发多个模式进行通信；研究了正交性和系统误差的影响，校正方法和距离对容量的影响。.4、通过空间传输矩阵分析了瑞利距离对OAM容量的影响，分析了不同模式隨距离变化的性能。分析了天线阵列结构对容量的影响，从而提出对天线设计的改进方法。..重要结果和关键数据.给出了不同的OAM波的产生方法，OAM波数学表述和传输特性的研究结果；给出了模式的正交性分析和实验结果，给出了实验中保证正交性的校正方法；给出了不同模式对容量的影响，提出了优化设计的方法；.. 科学意义.无论在理论研究和实际应用方面，OAM波都有重要意义，本项目从表观上对它进行了一些研究，得到了一些初步的结果，这为进一步的研究打下了基础。