基于涡旋电磁波远距离通信的保真汇聚天线研究

TThe wireless communication employing vortex electromagnetic wave with the information of orbital angular momentum (OAM) has attracted lots of attention in the research area. As a new technology, many challenges needs to be addressed, such as the deterioration of the OAM mode caused by the long distance spread, which is a basic and hard problem. Currently, most of OAM antennas focus on the production of vortex electromagnetic wave. The method of obtaining a vortex electromagnetic wave is simply to employ a high gain antenna or a parabolic reflector to produce a radiation pattern with high directivity. While, there is no group to research how to further reduce the divergence angle of a vortex wave based a high gain antenna such as a large antenna array. To solve these problems, this project studies the radiation pattern of large antenna array, presents the design method of OAM antenna array with high directivity and small divergence angle by employing reflectarrays and transmitarrays. To further reduce the divergence angle, the phase distribution in antenna arrays is optimized using optimization algorithm.

近年来，具有轨道角动量(Orbital Angular Momentum: OAM)的涡旋电磁波通信引起了学术界的广泛关注。作为一项新技术，涡旋电磁波在无线通信中的应用面临着诸多挑战，其中涡旋电磁波在远距离空间传播中产生扩散和畸变是最基础和最不可回避的问题之一。目前关于涡旋天线的研究大部分集中于涡旋电磁波的产生，对涡旋波天线波束汇聚的研究也仅限于利用高增益天线（如涡旋波馈源照射抛物面天线等）简单地产生高指向性涡旋电磁波，并没有从天线设计角度出发，系统地、全方位地对涡旋电磁波的高聚束性进行相关研究。针对上述问题，本课题拟从大型天线阵入手，探索大型阵列下的涡旋电磁波辐射特性，并分别引入反射阵列与传输阵列，结合方向图优化等阵列综合技术，重点研究基于大型阵列的涡旋电磁波保真汇聚，提出可用于涡旋电磁波远距离通信的高保真、高聚束涡旋天线的设计方法。

本项目以涡旋电磁波大容量远距离通信为应用背景，开展基于涡旋电磁波远距离通信的保真汇聚天线研究。本项目执行过程中，紧紧围绕多模态涡旋电磁波的产生与汇聚关键技术，主要研究内容如下：①基于均匀圆阵列（UCA）的涡旋电磁波产生方法；②基于电磁超表面的高汇聚涡旋电磁波产生方法；③基于电磁超表面的多模态涡旋电磁波汇聚方法。具体而言，研究内容①探索总结了基于UCA阵列的涡旋电磁波产生方法，设计实现了双频共口径涡旋电磁波阵列天线，在此基础上，针对多模态涡旋电磁波发散角非一致性发散问题，提出了4模态等发散角涡旋电磁波产生方法；研究内容②探索了基于电磁超表面产生涡旋电磁波的理论及设计方法，分别设计实现了多种基于传输型/反射型超表面的单模态/多模态涡旋电磁波产生装置；研究内容③深入研究了基于电磁超表面的电磁波汇聚方法，设计了基于准八木天线结构的宽带传输型汇聚超表面，详细研究了汇聚超表面对涡旋电磁波性能的影响。.基于本项目研究，可得出以下结论：.①理论分析和实验结果均表明，利用电磁超表面对电磁波的灵活调控，可有效产生高汇聚性的涡旋电磁波，并且电磁超表面具有结构简单、易加工、平面化、灵活性高的优点。在涡旋电磁波的远距离通信中具有很大应用潜力；.②电磁超表面的加载可对多模态涡旋电磁波进行有效汇聚。此外，汇聚超表面对涡旋电磁波的模态特性影响较小，涡旋电磁波经过超表面汇聚后，其模态特性无明显变化。.③ 对于涡旋电磁波通信而言，选用多模态UCA阵列作为涡旋天线更为现实，原因在于多圈UCA可独立产生多模态涡旋电磁波，更利于基于涡旋电磁波的模态复用。实际通信系统中，可结合汇聚超表面实现多模态涡旋波的汇聚。.④传统多模态涡旋电磁波存在发散角非一致的问题，该问题导致了涡旋电磁波通信中模态复用公平利用难的问题，也极大地增加了接收端全模态接收的难度。课题组研究的多模态等发散角涡旋电磁波产生方法可有效解决上述问题。