具有可重构特征的轨道角动量天线技术研究进展

轨道角动量(OAM)因其模式具有理论上无穷且正交互不干扰的特点,在扩展信道容量方面展现出良好的优势,为解决日趋紧张的频谱资源提供了一种新型设计自由度。面对复杂多样的无线通信场景,设计具有可重构特征的OAM天线,是实现多模态复用、智能信息感知和人工智能天线的物理层基础。该文首先结合可重构天线实现机理,给出了OAM可重构天线设计的方法及具备的特点;然后,系统性综述了具有可重构特征的OAM天线的研究进展;最后,对未来设计具有可重构特征的OAM天线研究进行了展望。

基于超表面的涡旋波束控制技术研究综述

轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)复用技术因OAM模式间的正交性和模式的无限性,能极大程度地提升信道容量与频谱效率,对解决当前无线通信频谱拥挤问题具有重大潜力。然而,OAM波束的衍射特性和发散角问题严重限制了通信质量。对OAM通信的技术的难点进行了介绍,并对比分析了现有OAM波束控制天线的优势与不足,其中超表面天线因其结构简单、成本低和优异的电磁调控能力,在OAM波束控制中具有独特优势。其次重点梳理了基于超表面实现OAM波束控制的不同实现方式以及发展现状,最后综述了未来发展方向,为OAM波束控制相关技术的发展和未来大容量通信的实现提供了一定指导。

多轨道角动量模式谐振环形行波天线设计

为解决目前轨道角动量(OAM)天线难以在同一频率下多模工作的问题,推动OAM在无线通信领域的实际应用,设计、加工并测量了一种基于单层板的谐振环形行波天线,引入4个馈电探针将不同相位差的信号馈入行波天线。经仿真分析和实际测量,该天线可以在3 GHz上谐振并分别产生了携带有OAM模式l=0,l=±1,l=-2的涡旋电磁波束。该天线结构简单并且可以在同一频率下产生多种模式OAM,能够有效增加无线通信的信道容量,具有一定的理论意义和实用价值。

一种V波段涡旋电磁波反射阵天线

为了满足无线电近感探测需求,提出一种基于反射型超表面的V波段涡旋电磁波产生方法,设计了一款具有正馈结构的涡旋电磁波反射阵天线,馈源采用标准增益喇叭天线。提出的新型线极化超表面单元为双层结构,两层方形贴片分别印刷在两个介质板的上层,金属地板印刷在下层介质板的底层。仿真结果表明,在60 GHz频点得到的电场相位在正方形相位参考面上具有清晰的+1模态涡旋相位分布特征,且中心存在相位奇点。对实物样机的实验室测试结果表明,天线近场辐射波以及天线照射钢板后反射波的电场相位同样具有涡旋相位分布特征。

基于涡旋电磁波的大容量传输天馈设计

涡旋电磁波不同轨道角动量(OAM)模态的正交性可以作为新的信息复用维度进一步提升系统通信容量。设计了一种基于双环圆形阵列的涡旋电磁天馈系统,可同时产生±1、±2四模态涡旋电磁信号。暗室测试及系统联试结果表明,设计的天馈系统模态间隔离度好,可完成4路同频BPSK数传信号的同时传输且无误码,实现了系统通信容量的提升。

一种多波束可旋转的金属波导太赫兹阵列天线

随着移动通信的高速发展和通讯环境的日益复杂,多波束天线在多目标雷达、卫星通信以及多点无线通信等领域有着广泛的应用需求。轨道角动量是电磁波的基本属性之一,它具有螺旋形波前,可独立于振幅、相位、偏振等基本属性,能为电磁波提供新的复用维度。基于亚波长金属波导阵列对电磁波优异的调控能力,我们设计了一种多波束可旋转的太赫兹(THz)阵列天线,通过调控入射波两正交偏振分量的相位分布,可将其分别转化成强度分布一致、阶数相反的涡旋波束。通过改变两分量的相位差,可实现45°偏振方向上波束的干涉图样发生旋转。此外,该阵列天线还展现出了高增益(31 dBi)和宽带宽(61 GHz)的特性。该工作可为基于多波束阵列天线的方位角测量提供新的思路,对丰富THz频段的阵列天线设计具有重要意义。

一种W频段宽带多模卡塞格伦天线设计

介绍了一种W频段宽带多模涡旋电磁波卡塞格伦天线设计.采用双极化开口方波导单元构建圆形波导阵列,结合多模馈电波导网络,实现了波束的涡旋模态(l=0,±1,+2)与极化(X极化,Y极化)独立复用;并以此作为卡塞格伦反射面天线馈源,实现了多模式、宽频带、高增益多波束的兼顾设计.仿真结果表明,该卡塞格伦天线能够提供8个模式波束,-10 dB阻抗带宽超过24.4%,覆盖频率范围72~92 GHz,各模式波束增益均超过46.1 dBi.该设计可用于百米量级距离的涡旋电磁波对传,为高速复用传输系统终端设计提供了一种新的解决思路.

Ku/K波段双频涡旋电磁阵列天线设计

涡旋电磁波具有携带轨道角动量的特性,利用这一特性,采用涡旋电磁波作为信号的载体,可以实现同一时间、同一频段的多路信号传输,极大地提高系统容量和频带利用率。以同轴馈电的半圆型开槽微带天线为单元,设计出了一种能工作在Ku波段和K波段的涡旋电磁阵列天线。使用三维电磁场仿真软件建模并且优化参数,最终得到在中心频率分别为17.1GHz和19.7GHz时,阵列天线产生的电磁波携带有轨道角动量。结论表明:该阵列天线能够产生双频涡旋电磁波。

涡旋电磁波天线技术研究进展

涡旋电磁波,因携带有轨道角动量(OAM),从而体现出除了传统的强度、相位、频率、极化等自由度之外的一种新型自由度,理论上在任意频率下都具有无穷多种互不干扰的正交模态,并且近年来其在雷达成像、无线通信等研究领域展现出重要的应用潜力,所以引起国内外学者的广泛关注,具有很高的研究价值和应用前景。在这里,该文主要介绍近年来涡旋电磁波天线技术的研究进展,包括单一微带贴片天线、阵列天线、行波天线、以及超表面天线结构等。单一微带贴片天线由于其结构简单、制作成本低而被广泛运用;行波天线可以在宽带范围内产生多OAM模式的涡旋电磁波;阵列天线的设计原理简单,可以灵活地控制产生不同模态的高增益OAM电磁波;而超表面天线不需要复杂的馈电网络,从而具有天线整体剖面较低的优势。该文对这4种常见的涡旋电磁波天线进行了总结,并展望了未来的发展趋势。

基于多模态OAM涡旋电磁波的L波段宽频阵列天线设计

频谱资源紧缺已成为无线通信技术发展的瓶颈.本文通过控制阵元间馈电相位差将轨道角动量(orbital angular momentum)技术应用于阵列天线中,利用L型探针馈电微带贴片天线沿圆周等距排列设计出一种工作频段在1.35GHz^1.86GHz,相对带宽达到31.8%的8阵元涡旋电磁波宽频微带天线.仿真实验表明,该天线可以产生具有多模态轨道角动量的涡旋电磁波,当用于移动通信系统的发射端,它能够实现在同一时间、同一频率下的多路信号传输,提高了系统的容量和传输速率.

激发涡旋电磁波的同相位馈电圆形天线阵设计

现有的线极化天线单元组成的圆形天线阵要激发涡旋电磁波,需对天线阵进行等相位差馈电,馈电网络结构较复杂。文中首先从理论上探讨利用圆极化天线单元组成的圆形天线阵产生涡旋电磁波的可能性,基于圆极化波传播特性,通过旋转圆极化天线单元而使相邻天线单元的远区辐射场产生相位差,导出圆形天线阵远场区的电磁辐射公式,论证圆极化的圆形天线阵在同相位馈电时能产生涡旋电磁波束。进而,以8个天线单元构成的圆形天线阵为例进行仿真验证。结果表明,通过合理的天线单元角度分布替代移相器模块功能,只需使用相同相位的馈电端口就能产生l=0,±1,±2,±3七种模式的轨道角动量,这种新型轨道角动量激发技术有效提升了馈电网络设计的灵活性。

一种双频带涡旋电磁波微带天线

本文提出了一种能工作于X波段的双频带涡旋电磁波微带天线.该天线由双面均匀圆形天线阵列Uniform Circular Antenna Array(UCA)和相移馈电网络组成.通过旋转下层的UCA,使之与上层UCA夹角为α,可以实现双频带工作模式;另外,相移馈电网络使天线相邻贴片单元的相位在两个频率处均依次改变-45°,实现了双频带涡旋电磁波辐射.实验结果表明:天线双频带工作带宽为0.85 GHz(7.8~8.65GHz)和0.35GHz(9.9~10.25GHz),且实现了模态数l=+2的双频涡旋电磁波.

涡旋电磁波无线通信技术发展综述

由于携带轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM),涡旋电磁波具有螺旋相位结构以及不同模态相互正交的空间性质,因此将其应用于无线通信技术领域以提升频谱利用率以及通信容量受到学界关注。介绍了涡旋电磁波的结构以及特殊性质,总结了近几年国内外涡旋电磁波在天线技术的进展并对比了各类天线性能,分析了涡旋电磁波在多输入多输出、复杂环境传输以及模态混叠检测领域的不足与发展态势,指出了未来基于涡旋电磁波无线通信发展的方向以及挑战。

多波束涡旋电磁波反射阵天线设计

针对传统反射阵天线产生涡旋电磁波存在方向单一、轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)模态单一的问题,设计了一款多波束涡旋电磁波反射阵天线。提出了一款基于旋转单元法的新型宽带圆极化单元,并利用口径场叠加法,获得了单个馈源产生多个涡旋波束的反射阵阵面补偿相位。仿真结果表明,该天线在26.5~32 GHz生成了2个携带模态-1和+1的涡旋波束,OAM带宽和3 dB增益带宽均为18.3%。在工作带宽内,最大增益为18.3 dBic,口径利用效率为10.31%。

1-bit模态可重构涡旋电磁波天线研究

针对大多数天线无法实现轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)的任意生成和切换的问题,设计并分析了一种基于1-bit可编程超表面,探讨了其在涡旋电磁波的模态可重构方面的应用。基于1-bit相位量化原理,设计了一款极性转化单元,实现入射x极化波反射y极化波。理论分析了涡旋电磁波的辐射及可重构模态性能,并对设计的可编程超表面进行仿真验证。由15×15个单元组成的1-bit反射可编程超表面在11.5~13.5 GHz(16.0%)工作带宽内生成了携带模态l为0,±1,±2的涡旋电磁波,验证了模态可重构性。平面电磁波和涡旋电磁波既可以生成,又可以相互转换,为将来实现具有实时动态控制功能的OAM光束奠定了基础,在无线通信系统中具有良好的应用前景。

涡旋电磁波轨道角动量模态抗干扰性能分析

鉴于涡旋电磁波所体现出的独特空间电磁场分布特征,以及其携带的轨道角动量(OAM)在理论上所具有的无穷维度模态正交特性,涡旋电磁波在无线通信领域和雷达探测与成像领域均表现出重要的研究价值和应用潜力。该文主要从涡旋电磁波空间电磁场分布的角度以及OAM模态正交性保持的角度,重点对涡旋电磁波射频收发链路中OAM模态的抗干扰性能进行分析。在C波段分别设计了不同的平面阵列天线用来产生和接收携带有OAM模态为l=+1和l=-2的涡旋电磁波束,并建立起涡旋电磁波的射频收发链路。通过引入一个喇叭天线作为干扰源,以相应涡旋电磁波束的OAM模态谱分布以及OAM模态正交性作为主要的分析依据,在不同干扰场景下抗干扰性对涡旋电磁波的收发射频链路的OAM模态性能进行仿真和分析。该文对设计的天线模型进行加工和测试,对涡旋电磁波射频收发链路中OAM模态抗干扰性能的分析,可以为涡旋电磁波在无线通信及雷达探测与成像等有关研究领域提供一些前瞻性的探索和设计上的指导。

轨道角动量天线波束控制技术的研究进展

轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)因其模数的无限性与正交性在提升通信容量方面有着巨大的潜力,对解决频谱资源不堪重负的现状有很强的现实意义,而OAM波束自身的发散角限制了其远距离通信的能力。OAM波束控制技术作为OAM波束固有的发散角问题的解决方案,极具研究价值和发展前景。介绍了近年来OAM波束控制技术的研究进展,包括抛物面天线法、透镜天线法、谐振腔法、超表面法以及其他波束控制技术。OAM波束控制技术尚不成熟,针对不同类型以及不同应用领域还需进行不同侧重的研究。

人工表面等离激元波导及天线若干进展

电磁波的传输和调控是电子学领域的一个研究热点,人工表面等离激元是一项通过在金属表面人工设计亚波长周期结构实现有效控制微波与太赫兹波传输的新技术。近年来,人工表面等离激元波导、电路与天线研究方面已取显著成果,为其在微波与太赫兹集成电路与系统中的应用奠定了基础。鉴于人工表面等离激元技术的重要应用前景,文章简要综述了人工表面等离激元波导、滤波器、频扫漏波天线以及涡旋波天线的若干最新研究进展,为新型人工表面等离激元波导与天线的开发及应用提供了参考。

多模态电磁涡旋波复用天线通信误差控制仿真

传统电磁涡旋波天线通信误差控制方法无法实现通信输入信息量和输出信息量的一致性,导致误差控制耗时长,且天线存在窄带宽问题。为此设计多模态电磁涡旋波复用天线通信误差控制方法。利用轨角向量技术改善频谱效率,采用L型探针贴片设计8个阵元以圆周阵列等夹角排列的复用天线,获取复用天线通信传输过程中产生的激励幅度误差、相位误差、耦合干扰、阵元安置误差,利用误差反馈控制方法控制通信中输入信息量和输出信息量的一致性,抑制通信误差扰动,实现多模态电磁涡旋波复用天线的误差控制。仿真结果表明,阵元复用天线能够有效改善天线窄带宽的问题,10bB的带宽能够覆盖的频率区间为[1.03,2.2]GHz。所提方法通信误差控制耗时约为60s,实验结果验证了所提方法在较短时间内将天线通信误差控制到最低。

基于轨道角动量的双频阵列天线的设计与分析

随着通信技术的蓬勃发展,通信频带变得越来越拥挤。为了提升频谱效率和信道容量,基于轨道角动量的思想,以同轴馈电的贴片微带天线为阵元,设计了一种可以携带轨道角动量涡旋电磁波的双频微带阵列天线。HFSS的仿真结果表明,该天线的-10 dB带宽为11.37~22.77 GHz和25.06~31.71 GHz,可以产生多种模态值的OAM波束,而且各个模态的OAM波束具有良好的对称性和旋转性,并且在中心频率21 GHz和27 GHz能同时产生OAM涡旋电磁波。该系统在未来的移动通信(6G)具有广阔的应用前景。