涡旋波束的高效激发及其在第五代移动通信中应用展望

【作者】 张狂； 丁旭旻； 杨国辉； 孟繁义； 傅佳辉； 王琮； 吴群；

【机构】 哈尔滨工业大学微波工程系；

【摘要】 人们对电磁波传播的研究中发现,在其传播方向上不仅携带线性动量,而且还可以携带自旋角动量和轨道角动量(OAM)。自旋角动量与电磁波的极化状态直接相关,而轨道角动量则决定了电磁波的空间相位波前分布。不同模式数的OAM彼此正交,理论上可以构造无穷维的Hilbert空间。因此,利用OAM模式作为复用信道,能够在发射和接收端之间的物理层上构造无穷多个正交信道,从而实现数量级程度上的提升通信容量、提高通信速率和极大程度上降低第五代移动通信大规模天线阵列互耦。目前的OAM模式激发方法,主要集中在利用螺旋相位板或螺旋抛物面天线,以及利用天线阵中各天线间的馈电相位差激发特定OAM模式。而这几种方法均存在无法克服的瓶颈缺陷:激发多模式的OAM,则需要更加复杂的馈电网络、大量的移相器等,这无疑会增加系统体积、复杂度及成本,不利于在第五代移动通信系统的应用。此外天线阵对于相位的控制不仅依赖于天线自身的谐振,还与电波的空间传播特性相关,这也使得研究问题变得复杂化。本报告利用超构表面所激发的相位突变思想,利用超构表面单元的相位突变替代传统透镜的相位累积,在超薄的超构表面上利用单元间相位突变的差值,实现特定OAM模式所需的空间相位分布。针对OAM模式在传播过程中由于衍射而造成的波束半径扩散的研究成果我们提出了利用附加相位函数的方法实现对涡旋波束半径的控制。实验结果表明,在激发器件口面尺寸相同的前提下,附加相位函数方法所激发的涡旋波束在传播100λ后,半径仅为普通涡旋波束的40%。因此所提出的基于相位突变超构表面的涡旋波束激发及波束半径控制方法,为其在第五代移动通信系统天线阵列中的应用奠定了良好的理论基础。更多还原